1 1. 西安工业大学 光电工程学院, 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 西安 710021
2 2. 西安交通大学 前沿技术研究院, 西安 710049
铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3, KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点, 在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K0.5Na0.5)NbO3-0.175Sr1-3x/2Lax(Sc0.5Nb0.5)O3(x=0, 0.1, 0.2, 0.3)陶瓷(简称0.825KNN- 0.175SLSN), 研究La2O3掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明: 0.825KNN- 0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构; 随着La2O3掺杂量增大, 陶瓷的平均晶粒尺寸减小, 相变温度(Tm)及饱和极化强度(Pmax)增大, 达到峰值后下降。在x=0.3时, 该体系陶瓷表现出优异的透明性, 在可见光波长(780 nm)及近红外波长(1200 nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%, 同时实现了310 kV/cm的击穿场强和1.85 J/cm 3的可释放能量密度。
铌酸钾钠 无铅透明陶瓷 透过率 储能性能 potassium sodium niobate lead-free transparent ceramics transmittance energy storage property
桂林电子科技大学材料科学与工程学院，广西信息材料重点实验室，广西 桂林 541004
采用无籽晶固相法制备Ta2O5、MnO2掺杂的99.7K0.5Na0.5［Nb(1-x)Tax］O3-0.3BaBiO3无铅压电单晶，研究了Ta、Mn单掺杂和共掺杂对晶体生长、结构和性能的影响。结果表明：适量Ta和Mn共掺杂有利于晶体生长，当加入0.9%(摩尔分数)Ta和0.1% Mn时，单晶表面更为规则和致密，所获晶体最大尺寸可达30.0 mm×9.2 mm×2.6 mm。当固定0.1% Mn掺杂并改变Ta的掺杂量时，Ta掺杂量较高的单晶具有相对高的压电性能；当Ta和Mn分别掺杂为0.9%和0.1%时，所得单晶具有较高的剩余极化强度Pr和压电常数d33，分别为26.96 μC/cm2和227 pC/N。
无籽晶固相法 铌酸钾钠 压电单晶 钽掺杂 锰掺杂 seed-free solid-state crystal growth method potassium sodium niobate piezoelectric single crystal tantalum pentoxide doping manganese dioxide doping
1 哈尔滨工业大学物理学院, 哈尔滨 150001
2 微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室, 哈尔滨 150001
3 山西大学极端光学协同创新中心, 太原 030006
采用顶部籽晶助熔法制备0.15% (摩尔分数)Fe掺杂的KTa1-xNbxO3晶体, 测试了晶体介电性能、电致应变性能分布、组分分布和电畴结构。结果表明: 数字全息是一种有效表征材料应变空间分布的方法, Fe: KTN晶体电致应变性能呈现不均匀分布的特性, 室温下外加电场为435 V/mm时, 晶体应变最大值为0.05%, 有3/4区域应变在0.02%附近。Fe: KTN晶体的应变分布与组分分布、电畴结构之间存在联系, 室温低于晶体Curie温度时, 晶体Nb元素含量少的区域电畴结构小, 具有更大的电致应变。
铁掺杂钽铌酸钾晶体 介电性能 电致应变 组分分布 电畴结构 ferrum doped potassium tantalum niobate crystal dielectric properties electric-field-induced strain component distribution domain structure
为了探究掺杂以及不同烧结气氛对陶瓷的微观结构以及压电性能的影响。通过传统固相法制备并分别在空气和还原气氛条件下烧结了0.96K0.48Na0.52Nb(1-x)TaxO3-0.04BaZrO3-0.3%MnCO3陶瓷。研究表明: 不同气氛烧结的陶瓷均为纯钙钛矿结构, 陶瓷相结构为菱方相与正交相共存, 且Ta的掺杂抑制了氧空位的产生。当掺杂量为0.10时, 还原烧结气氛下性能最优: d33=172 pC/N, d*33=294 pm/V, kp=24.9, εT33εT33QUOTE=820, tanδ =0.021, 且性能优于同组分在空气下烧结的样品(d33=142 pC/N, d*33=220 pm/V, kp=21.1, εT33=593, tanδ =0.022)。还原气氛可以抑制晶粒生长, 促进陶瓷的致密化, 进而提高陶瓷样品的压电性能。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 钽掺杂 微观结构 还原气氛烧结 potassium sodium niobate-based lead-free piezoelec tantalum-doped microstructure reducing sintering atmosphere
1 浙江清华长三角研究院, 先进陶瓷材料与器件研究中心, 浙江 嘉兴 314006
2 佛山(华南)新材料研究院, 广东 佛山 528200
3 桐乡清锋科技有限公司, 浙江 嘉兴 314501
4 清华大学材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084
5 乌镇实验室, 浙江 嘉兴 314500
高性能环境友好型(K,Na)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷是国际上功能陶瓷的重要科学前沿和技术竞争焦点之一。优异的压电性能及其温度稳定性、抗疲劳特性、力学性能以及制备工艺重复性等综合性能是KNN基陶瓷有望得以广泛应用的重要前提, 而这些性能与KNN基陶瓷的多层次结构紧密相关。本工作从多层次结构调控的角度出发, 总结了KNN基陶瓷压电性能与其温度稳定性、抗疲劳特性、力学性能、制备工艺重复性研究等方面的研究进展以及KNN基陶瓷的应用技术研究进展。最后, 就KNN基无铅压电陶瓷的未来发展进行展望。
无铅压电陶瓷 铌酸钾钠 多层次结构 钙钛矿 lead-free piezoceramics potassium sodium niobate multiscale structures perovskite
1 中南大学 粉末冶金研究院, 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
2 中电科技集团 重庆声光电有限公司, 重庆401332
采用传统固相法制备了在1 130 ℃下烧结而成的(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3 (KNLNTS)无铅压电陶瓷。陶瓷致密度和电学性能较好, 致密度达到98%, 室温压电常数为308.7 pC/N, 厚度振动机电耦合系数可达0.5, 1 kHz时介电损耗为0.043。以上述KNLNTS基粉体为原料, 利用切割填充法制备1-3型压电复合材料并研究了厚度对复合材料的性能影响。结果表明, 复合材料的压电常数、厚度振动机电耦合系数均随厚度的增加而增加, 介电损耗随厚度的增加而减少, 而相对介电常数基本保持不变。
压电陶瓷 铌酸钾钠 1-3型复合物 厚度 piezoelectric ceramics sodium potassium niobate 1-3 composites thickness
中南大学 粉末冶金研究院 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
采用传统固相法在烧结温度1 110~1 150 ℃内成功制备了(K0.5Na0.5)0.98Li0.02Nb0.77Ta0.18Sb0.05O3(LTS-KNN)无铅压电陶瓷, 所有样品结晶性良好, 无第二相产生。在1 130 ℃下烧结的压电陶瓷致密度良好, 陶瓷表现出较好的压电性能。通过调节极化电场与极化温度可改善陶瓷的极化程度, 进而优化陶瓷的压电性能。实验结果表明, 在烧结温度为1 130 ℃, 极化电场为3 kV/mm, 极化温度为60 ℃时, 陶瓷的压电性能达到最佳, 即压电常数d33 = 310 pC/N, 机电耦合系数kp = 48%。
压电陶瓷 铌酸钾钠 烧结温度 极化 piezoelectric ceramics (K,Na)NbO3 sintering temperature polarization
1 山东大学晶体材料研究所晶体材料国家重点实验室, 山东 济南 250100
2 中电科技德清华莹电子有限公司, 浙江 湖州 313000
非线性光子晶体(nonlinear photonic crystal, NPC)具有空间相关的二阶非线性系数,可以通过准相位匹配(quasi-phase matching, QPM)有效地控制非线性光学相互作用。一维和二维NPC已被广泛用于激光频率转换、空间光调制和非线性光学成像中。然而,受传统极化方法的限制,三维(3D)NPC的实现仍然是非线性光学领域的最大挑战之一。从准相位匹配的基本理论出发,综述了目前利用飞秒激光选择性地擦除铌酸锂(LiNbO3, LN)晶体非线性系数的3D LN NPC实验进展、在铁电钛酸钡钙(Ba0.77Ca0.23TiO3, BCT)晶体的自发畴结构中实现3D调制的QPM以及使用激光直写技术在BCT晶体中制造3D NPC的进展。另外,还介绍了一种具有自发的魔方立方状畴结构的天然钽铌酸钾(KTa0.56Nb0.44O3, KTN)钙钛矿NPC,无需外部极化即可直接满足3D QPM条件。3D NPC晶体可以广泛应用于需要产生和控制新频率光的领域,实现非线性光束整形、非线性成像和三维非线性全息等应用。
中国激光
2021, 48(12): 1208001
桂林电子科技大学材料科学与工程学院, 桂林 541004
文章综合概述了固相法晶体生长技术的发展过程与研究进展。首先, 回顾了在陶瓷烧结与冶金工艺中经常出现的晶粒异常长大现象, 以及由此发展起来的固相法晶体生长技术。对固相法晶体生长工艺和应用领域等进行了简要介绍, 对固相法晶体生长技术的典型应用案例和发展历程进行了叙述。然后, 着重介绍了一种新的固相晶体生长技术——无籽晶固相晶体生长技术。对无籽晶固相晶体生长技术在无铅铁电压电晶体—铌酸钾钠基晶体中的应用进行详细介绍, 并将该方法与常规的高温熔体法和籽晶诱导固相法晶体生长技术的特点进行了比较。最后, 在介绍当前关于固相法晶体生长机理讨论的基础上, 针对无籽晶固相晶体生长技术, 提出了一种新的综合机制模型, 力图解释无籽晶固相晶体生长的机理。对无籽晶固相晶体生长技术当前存在的问题以及未来的发展, 分别进行了简要的说明与展望。
晶粒异常长大 固相晶体生长 无籽晶固相晶体生长 铌酸钾钠无铅压电晶体 生长机理 abnormal grain growth solid-state crystal growth seed-free solid-state crystal growth potassium sodium niobate lead-free piezoelectric c growth mechanism
1 南开大学现代光学研究所, 天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室, 天津 300350
钽铌酸钾(KTN)晶体具有很高的二次电光系数,响应速度快,因此可以作为高速电光开关的材料,能在较低电压下快速产生大的光束偏转角。但是 KTN 晶体的色散问题制约了其作为电光开关在宽光谱范围内的应用。探讨了外加电压、温度及波长对偏转特性的影响,发现同时调节电压和温度的方法可以平衡光束偏转角和色散,为KTN晶体用于宽波段光束偏转提供参考。
物理光学 钽铌酸钾晶体 电光开关 光束偏转 色散
