本发明专利技术涉及用于高温压电器件的掺杂型钽酸镓镧晶体及其制备方法。所述掺杂型钽酸镓镧(M-LGT)晶体通式为y％M:La3Ta0.5+xGa5.5-xO14，其中：-0.3≤x≤0.3，0≤y≤2，掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种。该晶体可以采用提拉法或坩埚下降法等晶体生长方法制备，并通过优化生长气氛、掺杂元素及后处理条件，可以显著提高晶体高温下的电阻率。采用该晶体制作的压电元件首次成功应用于-200℃～649℃的超高温压电加速度传感器，该掺杂型高电阻率LGT晶体材料在未来的超高温压电器件中具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可用于高温和低温压电器件的掺杂型、高电阻率钽酸镓镧(LGT)压电晶体材料、其制备方法以及在高温压电器件，尤其是传感器、谐振器或滤波器中的应用。
技术介绍
压电晶体材料广泛应用于超声换能器、SAW器件、压电振荡器、压电滤波器、传感器等领域。目前已商业化的压电晶体主要是单晶石英(C1-SiO2)和铌酸锂(LiNbO3),石英最吸引人的特性是具有零频率温度系数的切型，温度稳定性非常好，但是它的压电常数和机电耦合系数较低；同时石英在温度高于350°C时的压力条件下倾向于形成孪晶畴结构，在573°C时产生a -SiO2向β -SiO2的相变，因而在500°C以上高温下石英压电材料不再适用。铌酸锂机电耦合系数大，居里温度高达1210°C，但由于铌酸锂频率温度稳定性能差而制约了其应用。现代科学技术的发展，对应用于航空航天、地质勘探领域的压电晶体材料提出了更高的要求，电子设备选用的压电晶体材料应具有优良的压电性能和更高的温度适用范围。磷酸镓(GaPO4)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)类晶体是近年备受关注的高温压电晶体。GaPO4结构与石英相同，该材料在高于800°C温度条件时热学稳定性比石英好，但研究发现GaPO4在930°C发生相变，高于950°C高温下伴有孪晶结构，导致抗机械和热冲击性下降，因此在高于900°C高温领域GaPO4也不再适用；另外只有利用高压水热法才能制备高质量GaPO4晶体，因此大尺寸、高质量晶体的生长非常困难，使其价格极其昂贵，这也导致该晶体始终无法得到批量应用。L GS类晶体具有压电系数较大、机电耦合系数高(α-石英的2 3倍)、存在零频率温度系数的切型、高温无相变等优点，表明该类晶体有望批量用于制作高温压电器件。但进一步的研究表明，该类晶体在高温下(500°C以上)电阻率偏低，这严重阻碍了 LGS类晶体在高于500°C环境下的应用。在LGS类晶体中，钽酸镓镧(La3Taa5Ga5.5014，LGT)具有更高的压电系数、机电耦合系数和高温电阻率的优势，同时利用提拉法易获得大尺寸高质量的单晶，因此近年来一直备受高温压电领域的广泛关注和报道。为了扩展LGT晶体高温适用范围，日本、德国、俄罗斯和美国等科学家相继开展了提高LGT晶体高温电阻率的工作，其中以日本科学家取得的成效最为显著。日本Uda实验室研究人员一直致力于提高LGT晶体高温电阻率方面的工作，曾研究过生长气氛和铱金污染对于LGT电阻率的影响；最近该实验人员还对后处理条件对于晶体电阻率影响展开了研究，并初步提出了 LGT晶体高温电阻率的导电机制，但是鲜有报道利用该晶体研制的器件的情况。同样来自日本的Hiroaki Takeda等人则主要研究通过掺杂Al元素来提高LGT晶体高温电阻率的方法，取得一些显著效果，但目前优化后利用该晶体研制的压力传感器的使用温度一般在500°C左右。因此，开发新型更高温度适用范围、稳定性好的高电阻率LGT压电晶体材料成为目前高温压电晶体材料领域的研究热点。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种用于超高温压电器件的新型高电阻率LGT晶体，解决LGT晶体高温电阻率偏低这一难题，获得高温下具有较高电阻率的新型LGT晶体。该LGT晶体成功应用于-200°C 649°C的超高温压电加速度传感器，在未来的超高温压电器件中具有良好的应用前景。本专利技术一方面提供了一种掺杂型钽酸镓镧晶体，该晶体的通式为:y% MiLa3Ta0.5+xGa5.5_x014，其中:-0.3 ^ X ^ 0.3,0 ^ y ^ 2,掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种或多种。在本专利技术中，所述掺杂型钽酸镓镧晶体具有与钽酸镓镧晶体(La3Taa5Ga5.5014)相同的晶体结构，该晶体属三方晶系，空间群P321，点群32。在优选实施方式中，所述掺杂型钽酸镓镧晶体具有一致熔融的特性。另一方面，本专利技术提供一种制备所述掺杂型钽酸镓镧晶体的方法，所述方法包括:(I)按照通式y% M:La3Ta0.5+xGa5.5_x014所示各组分的摩尔比提供各原料，焙烧烘干形成多晶料，式中:-0.3 ^ X ^ 0.3,0 ^ y ^ 2，掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种或多种；(2)使用上述多晶料通过熔体提拉法或坩埚下降法生长晶体；(3)对晶体进行退火处理，获得所述掺杂型钽酸镓镧晶体。在步骤(I)中，原料Ga2O3过量I重量％ 5重量％。在步骤(2)中，采用同质晶体或异质同构体晶体制作的籽晶，所述籽晶方向为X、Y、Z或其他任何方向，所述生长晶体的保护气氛为惰性气体，优选为氮气或者氩气。所述步骤(3)在选自真空、大气、氧气、惰性气体或掺有I体积％ 50体积％氧气的惰性气体的退火气氛中进行，退火温度为1000 1350°C，退火时间为10 30小时；优选所述惰性气体为氮气或氩气。另一方面，本专利技术提供一种压电元件，它由本专利技术所述的掺杂型钽酸镓镧晶体制得。在本专利技术中，所述压电元件的温度适用范围是_150°C 1000°C。另一方面，本专利技术还提供所述压电元件在高温压电器件，尤其是传感器、谐振器或滤波器中的应用。更加具体的说，本专利技术是通过以下技术方案实现的:一种用于超高温(> 538°C )压电器件的掺杂型、高电阻率LGT晶体。所述掺杂型LGT 晶体通式为 y % M: La3Tatl.5+xGa5.5_x014 (M-LGT)，其中:-0.3彡X彡0.3，0彡y彡2，掺杂元素M为Ba，Mo或Al中的至少一种；属三方晶系，空间群P321，32点群，具有硅酸镓镧结构。本专利技术的主要特点在于通过元素掺杂及后处理等手段改变晶体导电 类型和调控晶体中缺陷空位浓度的方式，提高该类晶体在高温下的电阻率，使其能广泛应用到高温压电器件市场中。本专利技术的M-LGT晶体的制备方法具体是以高纯(> 3N，即纯度至少99.9% )的La203、Ga2O3Ja2O5及BaC03、Mo2O5和Al2O3中的一种或多种为原料，采用提拉法生长，所用生长装置为感应加热提拉式单晶炉，晶体生长步骤包括:(I)按照y% M:La3Ta0.5+xGa5.5_x014式中各组分的摩尔比称量原料并混合均匀压块，放入氧化铝坩埚中，在1150 1350°C烧结，保温10 15小时获得多晶料；(2)将所述多晶料置于铱金坩埚中，装炉；单晶炉抽真空，充保护气体，升温到1350 1550°C使多晶料熔化；下籽晶，晶体生长温度在1330 1530°C之间；3英寸晶体生长周期为9 15天；(3)晶体生长完毕以20°C /小时 100°C /小时的降温速率降至室温，出炉；出炉的晶体在1000 1350°C的温度下进行气氛退火，退火时间为10 30小时。上述方法中，在原料配料时优选Ga2O3过量I重量％，即比按Ga2O3摩尔比应加的量再多添加配料总质量1%的Ga2O3,以避免由于Ga2O3挥发造成的组分偏离。上述步骤(I)中，-0.3彡X彡0.3，0彡y彡2，掺杂元素M为Ba，Mo或Al中的至少一种。上述步骤⑵中，晶体生长的提拉速度为I 2毫米/小时，转速为10 30转/分钟。上述步骤(2)中，优选的晶体生长的保护气氛为惰性气体(氮气或者氩气)，更为优选的是掺有I体积％ 3体积％氧气的惰性气体。上述步骤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种掺杂型钽酸镓镧晶体，该晶体的通式为：y％M:La3Ta0.5+xGa5.5?xO14，其中：?0.3≤x≤0.3，0≤y≤2，掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种或多种。
【技术特征摘要】
1.一种掺杂型钽酸镓镧晶体，该晶体的通式为: y 0//° M: La3Ta0.5+xGa5.5_x014，其中:-0.3 ^ X ^ 0.3,0 ^ y ^ 2, 掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种或多种。2.如权利要求1所述的掺杂型钽酸镓镧晶体，该晶体具有与钽酸镓镧晶体(La3Ta0.5Ga5.5014)相同的晶体结构，该晶体属三方晶系，空间群P321，点群32。3.如权利要求1所述的掺杂型钽酸镓镧晶体，该晶体具有一致熔融的特性。4.一种制备权利要求1-3任一项所述掺杂型钽酸镓镧晶体的方法，所述方法包括: (1)按照通式1%M: La3Ta0.5+xGa5.5_x014所示各组分的摩尔比提供各原料，焙烧烘干形成多晶料，式中:-0.3≤X≤0.3，O≤y≤2，掺杂元素M为Ba、Mo和Al中的至少一种或多种； (2)使用上述多晶料通过熔体提拉法或坩埚下降法生长晶体； (3)对晶体...
【专利技术属性】
技术研发人员：高攀，涂小牛，孔海宽，忻隽，郑燕青，施尔畏，
申请(专利权)人：上海硅酸盐研究所中试基地，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。