随着我国科技水平的飞速发展，激光惯性导航系统的精度要求越来越高。采用工业级原材料，通过固相合成法制备了铌锑-铌镍-锆钛酸铅(PSN-PNN-PZT)四元系大应变压电陶瓷材料，讨论了不同含量Sr对PSN-PNN-PZT压电陶瓷材料介电性能、压电性能的影响。结果表明：当Sr含量为1%(摩尔分数)、n(Zr)/n(Ti)=43/57(摩尔比)时，PSN-PNN-PZT组成位于准同型相界附近，压电陶瓷性能较优，获得了一种相对介电常数εT33/ε0、机电耦合系数kp、压电常数d33、介电损耗tan δ、居里温度Tc分别为4 090、0.664、686 pC/N、0.016 5及213 ℃的大应变压电陶瓷材料；基于该材料配方制备的24 mm×5 mm×0.4 mm压电陶瓷圆环，在100 V的驱动电压下产生的应变量能达到2.500 5 μm，较现有的PZT-14(P14)材料提升32.4%，能应用于高精度激光陀螺稳频器中，提高压电陶瓷微位移驱动器的可靠性。

采用顶部籽晶溶液生长法成功生长出尺寸为42 mm×20 mm×18 mm的高光学质量的紫外非线性光学晶体K3B6O10Br(KBB)。根据其结构对称性要求，将KBB晶体定向加工成不同的器件切型，系统表征其光电性能。对KBB晶体电弹常数进行了系统的表征，受微观结构影响，压电常数各向异性较大，最大的压电常数d33=6.69 pC/N。KBB晶体具有良好的激光频率变换、电光及压电性能，在光电子领域显示出潜在的应用前景。

Lead-free (K0.5Na0.5)NbO₃ (KNN) and Li0.06(K0.5Na0.5)0.94NbO₃ (LKNN) thin films were fabricated by a sol-gel method. The effects of Li substitution on crystal structure, microstructure and electrical properties of KNN film were systematically studied. Li doping can enhance the ferroelectric and piezoelectric properties of KNN film. Compared with pure KNN film, the LKNN film possesses larger remanent polarization (Pr∼ 9.3 μC/cm2) and saturated polarization (Ps∼ 41.2 μC/cm2) and lower leakage current density (∼10−5A/cm2 at 200 kV/cm). Meanwhile, a typical butterfly shaped piezoelectric response curve is obtained in the LKNN film with a high piezoelectric coefficient (d33∼ 105 pm/V). Excellent fatigue resistance (∼109 switching cycles) and aging resistance (∼ 180 days) demonstrate the long-term working stability of LKNN film. These findings indicate that KNN-based lead-free piezoelectric films have a broad application prospect in microelectromechanical systems (MEMS).

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物［Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)］的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料, 其带隙宽度为0.27~0.83 eV, x轴方向的应变调控对带隙影响较大, 而z轴方向的应变调控对带隙影响很小, 说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究, 结果表明, 三种材料均具有较大的面外压电系数d33, 特别是CrSeTe的d33可达56.89 pm/V, 约是常用压电材料AlN(d33=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。

采用常规固相反应法合成了Pb1-xSrx(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3+0.25%CeO2+0.50%Yb2O3+0.15%Fe2O3 (PMS-PZT, x=0, 0.02, 0.04, 0.06)的三元系硬性压电陶瓷。采用X线衍射仪、准静态压电常数测试仪和铁电测试仪系统地研究了Sr取代对PMS-PZT陶瓷的相结构及电学性能的影响。实验结果表明, 无Sr取代和有Sr取代的PMS-PZT压电陶瓷均具有单一的四方相晶体结构。当x=0.02时, PMS-PZT的性能最佳: d33=415 pC/N,Qm=522,TC=291 ℃,kp=0.64,εr=1 304,Pr=11.32 μC/cm2,Ec=9.05 kV/cm。

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。

钙钛矿型(ABO3)弛豫铁电单晶具有优异的机电耦合性能, 被认为是研制下一代医疗超声换能器、高精度压电驱动器、水声换能器等机电耦合器件的核心关键材料。针对弛豫铁电单晶材料制备与物理性能方面尚存在的基础科学与工艺问题, 本文综述了近些年弛豫铁电单晶生长与性能优化方面的研究进展, 包括若干新的单晶生长方法用以改善弛豫铁电单晶的成分和性能均匀性, 提升弛豫铁电单晶压电性能的系列新方法, 通过铁电畴结构调控以获得高透光率的弛豫铁电单晶, 以及高性能弛豫铁电单晶在电光技术领域的应用等。

采用两步预烧工艺制备Pb0.962 5La0.025(Mg1/3Nb2/3)1-zTizO3(z=0.28、0.29、0.30、0.31)陶瓷, 其准同型相界(MPB)的化学组成位于PbTiO3含量为0.29 mol和0.30 mol附近。选取准同型相界两侧的化学组成, 制备四方晶相Pb(Mg1/3Nb2/3)0.66Ti0.34O3和三方晶相Pb1-1.5xLax(Mg1/3Nb2/3)1-yTiyO3(x=0.083 3~0.041 7, y=0.206 7~0.273 3)陶瓷粉体。将两种晶相粉体按照设计比例(三方晶相摩尔分数w=0.3、0.4、0.5、0.6)混合, 干压成型, 烧结成化学组成相同、晶相占比不同的Pb0.962 5La0.025(Mg1/3Nb2/3)0.70Ti0.30O3陶瓷。研究了晶相组成对陶瓷压电性能、介电性能、铁电性能的影响。结果表明, 高温烧结后, 陶瓷中的三方晶相和四方晶相占比与配料比基本一致。当w=0.5时, 1 250 ℃烧结陶瓷中三方晶相与四方晶相含量占比分别为0.47、0.53, 晶粒平均尺寸为（5.24±0.23） μm, 相对密度为96.76%。陶瓷的压电应变常数d33、径向机电转换系数kp、厚度机电转换系数kt、相对介电常数εr、剩余极化强度Pr和场致应变系数S(1 Hz、3.5 kV/mm)分别为1 014 pC/N、0.67、0.64、10 955、24 μC/cm2和0.21%。该方法可人为调控化学组成位于准同型相界的陶瓷的晶相占比。

采用传统固相法制备了0.75Pb(Zr1/2Ti1/2)O3-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(0.25-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 (0.75PZT-xPZN-(0.25-x)PNN,摩尔分数x=0.05, 0.10, 0.15, 0.20)压电陶瓷, 研究了x值对陶瓷晶体结构、烧结特性、微观组织和介电、铁电、压电性能的影响规律。结果表明, 陶瓷中三方相和四方相共存, 当x=0.10~0.20时, 陶瓷组分位于准同型相界(MPB)附近。随着PZN含量的增加, 三方相含量减少, 四方相含量增加, 陶瓷的介电常数(εT)、压电常数(d33)、机电耦合系数(kp)和能量转化因子(d33×g33)均随之先增大后减小, 当x=0.15时, 0.75PZT-0.15PZN-0.10PNN陶瓷具有最佳电学性能,即εT=1 850, 公电损耗tan δ=0.029, 居里温度TC=280 ℃, d33=370 pC/N, kp=0.67。

针对新一代声波测井仪器对其核心元件压电陶瓷兼具高居里温度、高压电系数以及高稳定性要求的迫切需求, 本文采用传统的固相反应-无压烧结技术制备了一种0.06BiYbO3-0.94Pb(Zr0.48Ti0.52)O3(BY-PZT)三元系压电陶瓷, 并研究了四种氧化物掺杂对其微观结构及电学性能的影响。由XRD和SEM表征可知所有样品均呈纯四方相钙钛矿结构, 掺杂Cr2O3的样品平均晶粒尺寸最大。介电温谱和谐振频谱研究证实四种氧化物掺杂均能提高其介电性能的温度稳定性。掺杂La2O3的样品介电常数温度系数(Tkε)最低, 掺杂MnO2的样品机械品质因素(Qm)最高, 而掺杂CeO2的样品抗热退极化性能最好。高温复阻抗(Cole-Cole图)分析表明, Cr2O3掺杂能够显著提高BY-PZT陶瓷的高温电阻率, 陶瓷在高温下的电导行为主要由晶界响应控制。综合来看, 掺杂La2O3的样品兼具高居里温度(TC=397 ℃)和高压电系数(d33=290 pC/N), 并且在300 ℃退火4 h后d33仍能保持在270 pC/N左右, 有望在极限工作温度为300 ℃的高温压电器件中获得应用。