采用丝网印刷工艺在PMNPT弛豫铁电单晶晶片表面涂覆了中温及高温两种银浆，通过快速烧结工艺分别在650和850 ℃条件下制备了银电极。采用扫描电子显微镜观察银电极表面及金属晶体界面的微观结构，采用能谱分析了界面的元素分布情况。银电极厚度为几十微米，呈多孔结构，与晶体结合良好。经过烧结后，晶体中的Pb、Nb、Ti等原子向银电极发生了迁移，而高温银浆烧结后在界面形成几微米厚的过渡层，晶体中原子向电极中的迁移大幅度减少。不同晶向的PMNPT晶片在高温下向银电极扩散过程中具有很强的晶面效应，［110］方向晶体中Pb、Nb、Ti原子向电极中的扩散程度小于［100］方向晶体。

弛豫铁电单晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)相较于常用的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)具有更高的居里温度, 在高稳定性、高性能的传感器、换能器方面具有应用前景。本工作采用谐振法研究了［001］方向极化的0.66PIN-0.34PT铁电单晶的全矩阵机电性能参数。0.66PIN-0.34PT 单晶的三方-四方相变温度(TRT)约为160 ℃, 居里温度(TC)约为260 ℃, 室温压电系数d33、d31、d15分别为1 340 pC/N、-780 pC/N、321 pC/N, 介电常数εT33、εS33、εT11、εS11分别为2 700、905、2 210、1 927, 机电耦合系数 k33、k31、k15、kt分别为 87%、58%、38%、61%。其纵向压电常数(d33)和纵向机电耦合系数(k33)小于 PMN-PT 单晶, 但是横向压电性能(d31)和剪切压电性能(d15)都略高于PMN-PT单晶。另外, 研究了机电耦合性能随温度的变化趋势, 发现0.66PIN-0.34PT单晶在150 ℃以下有较好的温度稳定性。

为了满足低频高灵敏度声矢量接收需求, 提出并研制了一种具有层合梁结构的弛豫铁电单晶二维同振型矢量水听器。矢量通道分别由两个正交的单晶层合梁加速度传感器组成, 其中层合梁结构是通过在金属悬臂梁中引入阻尼层形成。通过有限元仿真分析了层合梁结构中单晶层厚度、阻尼层杨氏模量等参数对谐振频率及加速度灵敏度的影响。研制了多种加速度传感器及矢量水听器样品, 相关测试结果表明, 在材料上, 所提出的单晶传感器比压电陶瓷具有更高的灵敏度; 在结构上, 层合梁矢量水听器比金属梁具有更低的谐振频率和谐振峰, 在声压灵敏度及指向性凹坑方面均有3 dB的性能优势。

以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)陶瓷的压电性能, 引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d33～2 000 pC/N, k33～92%), 并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究, 发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能, 还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性, 并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

随着信息技术的迅速发展，对声表面波器件的要求也进一步提高。为寻找性能更加优异的声表面波器件基底材料，本文利用分波解法对室温下［001］c及［011］c极化弛豫铁电0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶的声表面波性能进行研究。利用［001］c及［011］c极化弛豫铁电0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶的弹性、压电及介电性能参数，通过求解克里斯托弗方程计算了晶体声表面波相速度、机电耦合系数及能流角随传播角度的变换关系。结果表明，沿［011］c方向极化的0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶声表面波性能要优于沿［001］c极化的单晶。［011］c极化0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶的声表面波机电耦合系数显著高于沿［001］c极化单晶。同时沿［011］c极化0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶的声表面波能流角的最大值也明显小于［001］c极化单晶。因此，沿［011］c方向极化的0.24PIN-0.47PMN-0.29PT单晶兼具优异的声表面波性能及温度稳定性，更适合于实际应用。