K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法与流程

本发明涉及一种单晶的制备方法。

背景技术：
1880年，物理学家J.Curie和P.Curie在研究α石英晶体过程中，发现其具有压电效应，从此人们开始了对压电材料的研究。1920年，法国科学家Valasek发现某些压电材料具有铁电性。从此人们开始了对铁电材料的研究。压电铁电材料在工业、民用以及军事上应用极为广泛，包括滤波器、谐振器、传感器、换能器等数十种器件。目前应用最为广泛的是以锆钛酸铅为代表的铅基压电材料，但是由于其中铅元素含量极高，在应用过程中会对人类和环境造成很大的伤害。近年来，国际上正在积极通过法律、法规对含铅的电子产品等进行禁止，因此压电材料的无铅化是以后压电领域的主要发展趋势。近几十年来，国内外研究者对无铅压电材料进行了大量的研究，其中关于铌酸钾钠(KNN)基无铅压电材料的研究取得了重大的突破。研究者们发现在K/Na的摩尔比在1/1附近，由于体系存在一个准同型相界，在此区域会表现优异的压电性能：d33＝80pC/N。一般来讲，单晶的要优于同组分陶瓷的性能，并且可以通过畴工程技术可以进一步的提高其压电性能。目前，人们已经可以生长出铌酸钾钠单晶，但是生长出的单晶存在尺寸较小，内应力较大(容易开裂)以及缺陷较多等一系列的原因，需要一种可以生长出高质量、高性能单晶的方法。

技术实现要素：
本发明是为了解决现有方法制备的铌酸钾钠单晶尺寸较小、内应力大的技术问题，提供了一种K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法。K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法按照以下步骤进行：一、称取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨机研磨混合均匀，得混合粉末，混合粉末中K原子与Na原子总的物质的量与Nb的物质的量比为1.1～1.3﹕1，K原子与Na原子总的物质的量比为2.3～4.0﹕1，将混合粉末放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温的条件下升温至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到铌酸钾钠多晶体；三、将盛放铌酸钾钠多晶的坩埚放入生长炉中，在室温条件下升温至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降温至1180℃；四、采用顶部籽晶助熔剂法，在籽晶杆转速为10～25r/min的条件下旋转到单晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度为2～2.5mm/h的条件下将单晶提拉至12mm～25mm，再将单晶提出，而后降至室温，即得K0.5Na0.5NbO3单晶。本发明首次采用顶部籽晶助溶剂法的方法实现了大尺寸的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的制备，生长出的单晶尺寸可为11mm×11mm×15mm。本发明首次采用顶部籽晶助溶剂法的方法实现了缺陷少，漏电流小、压电常数大的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的制备。本发明所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶，在室温时呈正交相，呈铁电性。本发明所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的居里温度是400～422℃，本发明所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的压电常数d33可达175～190pC/N。附图说明图1为本发明单晶生长炉的温场结构图，1为铂金后继加热器、2为氧化锆、3为刚玉、4为铂坩埚、5为锆沙；图2为实验一制备的K0.5Na0.5NbO3单晶照片；图3为实验一制备的K0.5Na0.5NbO3单晶的漏电流示意图；图4为实验一制备的K0.5Na0.5NbO3单晶的粉末X射线衍射测量结果示意图；图5为实验一制备的K0.5Na0.5NbO3单晶的电滞回线示意图；图6为实验一制备的K0.5Na0.5NbO3单晶的介电常数随温度变化示意图；图7是实验二制备的K0.5Na0.5NbO3单晶照片。具体实施方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法按照以下步骤进行：一、称取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用变频行星式球磨机研磨混合均匀，得混合粉末，混合粉末中K原子与Na原子总的物质的量与Nb的物质的量比为1.1～1.3﹕1，K原子与Na原子总的物质的量比为2.3～4.0﹕1，将混合粉末放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温的条件下升温至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到铌酸钾钠多晶体；三、将盛放铌酸钾钠多晶的坩埚放入生长炉中，在室温条件下升温至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降温至1180℃；四、采用顶部籽晶助熔剂法，在籽晶杆转速为10～25r/min的条件下旋转到单晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度为2～2.5mm/h的条件下将单晶提拉至12mm～25mm，再将单晶提出，而后降至室温，即得K0.5Na0.5NbO3单晶。本实施方式步骤一中所用的球磨机型号为：XQM-2L。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中混合粉末中K原子与Na原子总的物质的量与Nb的物质的量比为11﹕10，K原子与Na原子总的物质的量比为3﹕1。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤二中的升温速度为100℃/h～200℃/h。其它与具体实施方式一或二之一相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中的反应时间温度为900℃，时间为6h。其它与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中在室温条件下升温至1250℃，并保持1250℃7h，再降温至1180℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中升温至1240℃～1275℃的升温速度为80℃/h～150℃/h。其它与具体实施方式一至五之一相同。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中降温至1180℃的降温过程为20℃/h～35℃/h。其它与具体实施方式一至六之一相同。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中在籽晶杆转速为15r/min的条件下旋转到单晶放肩至10mm，然后在提拉速度为2mm/h的条件下将单晶提拉至15mm，再将单晶提出，而后降至室温。其它与具体实施方式一至七之一相同。具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中的降温过程为：首先以40℃/h的速度降温至1100℃，再以50℃/h的速度降温至800℃，然后再以30℃/h的速度降温至600℃，再以20℃/h的速度降温至室温。其它与具体实施方式一至八之一相同。采用下述实验验证本发明效果:实验一：K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法按照以下步骤进行：一、称取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨机研磨混合均匀，得混合粉末，混合粉末中K原子与Na原子总的物质的量与Nb的物质的量比为11﹕10，K原子与Na原子总的物质的量比为3﹕1，将混合粉末放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温的条件下升温至900℃，并保持900℃6h，得到铌酸钾钠多晶体；三、将盛放铌酸钾钠多晶的坩埚放入生长炉中，在室温条件下升温至1250℃，并保持1250℃7h，再降温至1180℃；四、采用顶部籽晶助熔剂法，在籽晶杆转速为15r/min的条件下旋转到单晶放肩至10mm，然后在提拉速度为0.2mm/h的条件下将单晶提拉至15mm，再将单晶提出，而后降至室温，即得K0.5Na0.5NbO3单晶。本实验制备的K0.5Na0.5NbO3单晶，生长出的单晶尺寸为：11mm×11mm×15mm，如图2所示。本实验制备的K0.5Na0.5NbO3单晶漏电流如图3所示，从图3中看出K0.5Na0.5NbO3单晶缺陷少，漏电流小。本实验所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶，在室温时呈正交相，呈铁电性，如图4及图5所示。本实验所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的居里温度是422℃，如图6所示。本实验所得到的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3)单晶的压电常数d33为190pC/N。实验二：本实验的K0.5Na0.5NbO3单晶的制备方法按照以下步骤进行：一、称取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用变频行星式球磨机研磨混合均匀，得混合粉末，混合粉末中K原子与Na原子总的物质的量与Nb的物质的量比为1.1﹕1，K原子与Na原子总的物质的量比为3﹕1，将混合粉末放入坩埚内；二、将坩埚置于加热炉，在室温的条件下以150℃/h的速率升温至950℃，并在950℃条件下保持10h，得到铌酸钾钠多晶体；三、将盛放铌酸钾钠多晶的坩埚放入生长炉中，在室温条件下以100℃/h的速度升温至1255℃，并在1255℃条件下保持10h，再以30℃/h的速度降温至1180℃；四、采用顶部籽晶助熔剂法，在籽晶杆转速为20r/min的条件下旋转到单晶放肩至10mm，然后在提拉速度为2.5mm/h的条件下将单晶提拉至18mm，再将单晶提出，而后降至室温，即得K0.5Na0.5NbO3单晶。本实验得到的K0.5Na0.5NbO3单晶的照片如图7所示。本实验得到的K0.5Na0.5NbO3单晶的缺陷少，漏电流为0.0000003微安，漏电流小，居里温度为420℃，压电常数d33为185pC/N。