Ga2S3单晶的制备方法、铁电材料、压电器件及热电器件用与流程

本申请涉及一种铁电单晶材料、其制备方法及其在压电、热电中的应用，属于材料领域。

背景技术：

铁电材料是指在居里温度以下具有铁电自发极化的功能材料，在铁电存储器、红外探测器及光学传感器等方面有重要应用。目前传统的铁电应用材料主要以钙钛矿体系化合物为代表，主要以pbzro3(pzt)为代表，此系列的突出优点是剩余极化较大pr大约10-35μc/cm²、热处理温度较低(600℃左右)。但是随着研究的深入人们发现在经过累计的极化反转之后pzt系列性能退化，主要表现在出现高的漏电流和较严重的疲劳问题另外铅的挥发对人体也有害。另外srbi4ti4o15(sbti)陶瓷又是非铅系列材料是一种比较有前途的铁电陶瓷材料。其剩余极化较大，热稳定性能也比较好，居里温度为520℃，但是由于bi容易挥发，在材料制备和使用过程中容易成铋空位，从而形成氧空位，影响材料的抗疲劳性能和铁电性能。为了满足实际应用的需要，需要提高和改进该系列材料的铁电性能。国内外研究者在改变制备途径、制备方法以及调整材料的组分等方面作了不少研究。从目前的研究现状来看,对于具有高性能的铁电材料的研究和开发应用仍然处于发展阶段。而研究和开发性能优良且无铅的铁电材料具有广泛应用前景

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种铁电单晶的制备方法，该铁电单晶材料在室温条件下2hz的测试频率下，剩余极化强度(pr)为0.18μc/cm²；该材料为二元相，合成简单；热稳定性能好。综合性能优良，是潜在的铁电材料。

所述方法，至少包括：

将含有ga2s3粉末的原料在真空条件下进行加热，高温保温，然后以0.1～100℃/天的速率降温进行晶体的生长，得到所述ga2s3单晶。

所述晶体的生长过程中加热的升温速率为0.1～5℃/min；

可选地，所述高温保温温度为700～1200℃，高温保温时间为10～480小时；

所述真空条件为1～10^-5pa；

所述降温：降温至室温到600℃。

可选地，所述降温：降温至室温到300℃。

可选地，所述高温保温温度的上限选自1000℃、1050℃、1100℃、1150℃或1200℃；下限选自700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃。

可选地，所述降温速率的上限选自10℃/天、15℃/天、20℃/天、25℃/天或30℃/天；所述降温速率的下限选自0.1℃/天、0.5℃/天、1.0℃/天、2.0℃/天、3.0℃/天、4.0℃/天或5.0℃/天。

可选地，所述方法至少包括：将含有ga2s3粉末的原料在真空条件下加热，高温保温进行原料的反应或熔化，缓慢降温进行晶体的生长，关掉炉子电源(可在600以下任一温度关掉)，自然降温，室温取出，得到所述ga2s3单晶。

可选地，所述方法至少包括：将初始原料ga2s3粉末研磨均匀后，装入石英管中抽真空至1～10^-5pa后密封石英管，将石英管放入下降炉中，加热至700～1200℃，保温，然后以每天0.1～30度的速率降温，至生长结束，取出，得到所述ga2s3晶体。

可选地，所述方法至少包括：将初始原料ga2s3粉末研磨均匀后，装入石英管中抽真空至1～10^-5pa后密封石英管，将石英管放入下降炉中，加热至950～1200℃，保温，然后以每天0.1～30度的速率降温，至生长结束，取出，得到所述ga2s3晶体。

可选地，所述加热温度为950～1200℃。

可选地，所述ga2s3单晶属于单斜晶系cc空间群，晶胞参数为α＝90°，β＝121.261°，γ＝90°，z＝1。

可选地，所述ga2s3单晶的尺寸为4.0mmx3.8mmx0.2mm。

可选地，所述ga2s3单晶的尺寸为1.0～10.0mmx1.0～10.0mmx0.05～5.0mm。

可选地，所述ga2s3单晶为二元相；在室温条件下2hz的测试频率下，在室温条件下2hz的测试频率下，矫顽场ec为0.1～8kv/cm，剩余极化强度为0.1～0.4μc/cm²。

可选地，在室温条件下2hz的测试频率下，矫顽场ec为1.8kv/cm，剩余极化强度为0.18μc/cm²。可选地，所述ga2s3单晶为二元相；在室温条件下2hz的测试频率下，矫顽场ec为0.5～4kv/cm，剩余极化强度为0.15～0.4μc/cm²。

可选地，在室温条件下2hz的测试频率下，矫顽场ec为1.8kv/cm，剩余极化强度为0.18μc/cm²。

可选地，所述ga2s3单晶用于制备压电领域的器件或者铁电领域的器件。

作为一种具体的实施方式，采用坩埚下降法进行ga2s3单晶的生长。

将初始原料ga2s3粉末研磨均匀后，装入石英管中抽真空至1～10^-5pa后用氢氧焰密封石英管，将石英管放入下降炉中，缓慢加热至700～1200℃，保温一定的时间后，以每天0.1～30度的速率降温，至生长结束，取出晶体。通过对生长晶体的x射线单晶衍射，x射线粉末衍射、铁电性能测试确定其结构和性能。

根据本申请的又一方面，提供一种铁电单晶材料，包含上述任一项所述的方法制备得到的ga2s3单晶。

根据本申请的又一方面，提供一种压电器件，含有上述任一项所述方法制备得到的ga2s3单晶和/或上述的铁电单晶材料中的至少一种。

根据本申请的又一方面，提供一种热电器件，含有上述任一项所述方法制备得到的ga2s3单晶和/或上述的铁电单晶材料中的至少一种

本申请中“晶体生长结束”是指温度下降至300℃。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的铁电单晶材料ga2s3，在室温条件下2hz测试条件下，剩余极化强度(pr)为0.18μc/cm²。

2)本申请所提供的铁电单晶材料ga2s3，为二元相。

3)本申请所提供的铁电单晶材料ga2s3，热稳定性能好。综合性能优良，是潜在的铁电材料。

4)本申请所提供的铁电单晶材料ga2s3的制备方法简单，具有大规模生产制备的前景。

附图说明

图1为铁电单晶材料样品1^#ga2s3的xrd谱图。

图2为铁电单晶材料样品1^#ga2s3的电滞回线。

图3为铁电单晶材料样品1^#ga2s3的单晶照片。

图4为铁电单晶材料样品1^#ga2s3的晶体结构。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例中，晶体生长结束指温度下降至300℃。

实施例1样品1^#的制备

将初始原料ga2s3粉末研磨均匀后，装入石英管中抽真空至10^-4pa后用氢氧焰密封石英管，将石英管放入下降炉中，缓慢加热至1200℃，保温72小时后，以每天30度的速率降温，至生长结束，取出晶体。所得晶体，即为样品1^#。

实施例2样品2^#～5^#的制备

实验步骤同实施例1，实验条件见下表一。

表一

实施例3样品1^#～5^#的结构表征

样品1^#～5^#的x–射线粉末衍射物相分析(xrd)在rigaku公司的miniflexii型x射线衍射仪上进行，cu靶，kα辐射源(λ＝0.154184nm)。结果表明，实施例1～2所制备的样品1^#～5^#均为高纯度和高结晶度的样品，典型代表如图1中样品1^#的xrd谱图所示。图1中实验值与模拟值相同，表明合成了高纯度和高结晶度的ga2s3晶体。

样品1^#～5^#的x–射线单晶衍射在mercuryccd型单晶衍射仪上进行，mo靶，kα辐射源(λ＝0.07107nm)，测试温度293k。并通过shelxl97对进行结构解析。通过单晶数据拟合得到的ga2s3单晶结构典型代表如图4所示的样品1^#的ga2s3单晶结构图。ga2s3单晶结构为属于单斜晶系cc空间群，晶胞参数为α＝90°，β＝121.261°，γ＝90°，z＝1。样品1^#～5^#均得到了相似的单晶结构。

实施例4样品1^#～5^#的形貌表征

样品1^#～5^#的形貌的典型代表如图3所示的样品1^#的ga2s3单晶照片。图3中，对应样品1^#，ga2s3单晶尺寸为4.0mmx3.8mmx0.2mm，呈规整的长方体状。

实施例5样品1^#～5^#的铁电性能表征

样品1^#～5^#的铁电性能测试采用tf2000标准铁电测量系统，温度条件为室温，所加频率为2hz用不同的砂纸将样品1^#～5^#的ga2s3单晶铁电材料两面打磨光滑，在打磨光滑的两面涂上银电极用于电滞回线测试，测量不同电场下的电滞回线，典型的电滞回线如图2所示的样品1^#的电滞回线。在+/-2kv/cm的交流电场下达到饱和，此时矫顽场ec为1.8kv/cm，剩余极化pr为0.18μc/cm²。其他样品的测试方法同上，测试结果均在矫顽场ec为0.1～8kv/cm，剩余极化0.15～0.40μc/cm²范围内。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。