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。

目前采用坩埚下降法生长的弛豫铁电单晶为圆柱状晶体, 无自然结晶面, 晶体在切割加工前必须进行三维定向。本文提出了一种利用粉末X射线衍射仪和X射线定向仪确定铁电单晶三维方向的简便方法。通过粉末X射线衍射仪确定任意切割晶面的最强衍射峰, 然后利用X射线定向仪确定最强衍射峰准确的切割面, 再通过X射线定向仪确定两个晶面的交线方向, 从而获取晶体的三维方向, 进而指导晶体切割加工。使用该方法对Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3铁电单晶进行三维定向, 结果证明该定向方法具有准确度高、效率高、操作方便、晶体损耗少的特点。该方法也适用于其他晶体材料的定向。

Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT)由于具有优异的综合性能而成为应用最广泛的压电陶瓷。之前研究工作证明了与直流极化(DCP)和交流极化(ACP)相比, 采用交流极化和直流极化相结合的方法能进一步提高弛豫铁电单晶材料的压电性能。本工作报道了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化后PZT-4压电陶瓷的介电性能和压电性能, 探究了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化的最佳极化条件。在最佳交流极化+直流极化条件下, PZT-4 压电陶瓷的压电常数(d33)为350 pC/N, 相比直流极化(305 pC/N)、交流极化(320 pC/N)分别提高了15%和9%。交流极化后的PZT-4陶瓷样品的应变值(0.08%)高于进行直流极化样品的(应变值0.05%), 表明交流极化可以有效提高PZT-4陶瓷的应变值, 但是交流极化后应变曲线的滞后增大不利于器件应用, 交流极化对硬性压电陶瓷的影响还需要进一步探讨。

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。

该文提出了一种适用于低频测试的弛豫铁电单晶三轴加速度传感器的结构形式，加速度传感器每个坐标轴由一个单晶弯曲梁敏感元件组成。通过有限元仿真分析了弯曲梁结构中的单晶层厚度、基梁金属层厚度及基梁材料等结构尺寸参数对谐振频率及加速度灵敏度的影响，找到最优结构尺寸，研制了弛豫铁电单晶三轴加速度传感器样品并进行测试。测试结果表明，弛豫铁电单晶三轴加速度传感器各个方向的一致性良好，加速度灵敏度达86.1 mV/(m·s-2)，可以工作在10~400 Hz的低频段。

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。

通过温度依赖的透射和反射光谱研究了在准同型相界附近的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3 (PMN-0.3PT)单晶光学性质.这种禁带宽度随温度范围不同变化规律不同现象, 揭示了PMN-PT单晶温度依赖的复杂相结构.禁带宽度Eg在303 K是3.25 eV, 临界点Ea是3.93 eV, 临界点Eb是4.65 eV, 它们随着温度的上升而下降, 在453 K禁带宽度Eg是3.05 eV, 临界点Ea是3.57 eV, 临界点Eb是4.56 eV.这三个跃迁能量Eg、Ea、Eb分别对应从O 2p到Ti d、Ni d、Pb 6p轨道跃迁.它们随温度上升而下降的变化规律可以用晶格热膨胀和电子声子相互作用理论来解释.通过Tauc-Lorentz色散模型拟合得到了303 K到453 K温度范围的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3单晶光学常数及其随温度的变化规律, 发现折射率n随着温度的升高而升高.

推导了由线性和二次电光效应共同支持的新型空间孤子对解, 采用数值模拟法分析了外加电场对亮-亮、暗-暗和亮-暗空间孤子对强度包络的影响.结果表明: 与单一非线性效应所支持的孤子对不同, 新型亮-亮孤子对在外加电场为正和为负情况下均可以存在, 正的外加电场所支持的孤子对宽度略小于相应的负的外加电场情况；对于新型暗-暗孤子对, 由于二次电光效应和线性电光效应的机制不同, 导致孤子对存在所对应的外加电场强度限定在较低的某一范围内, 随着外加电场强度的加大, 孤子对的宽度逐渐减小；对于新型亮-暗孤子对, 其亮分量峰值一般略大于暗分量峰值, 此孤子对在一定的振幅扰动下, 当传输距离大于某特定值后会出现传输的不稳定性.