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PMN-PT弛豫铁电单晶是研发高性能器件,如智能传感、超声换能、精密制动等的重要材料。然而,低的居里温度和小的矫顽场,限制该晶体在高温和大功率领域的应用。本课题组开发的具有高居里温度和大矫顽场的PSN-PMN-PT单晶克服了这些不足。前期主要测试了PSN-PMN-PT单晶常规电学性能,关于其光学性能以及非接触式光控铁电体极化反转和光控电学性能的可调谐性等方面的研究还未开展。相比于常规电控压电铁电而言,光调控铁电晶体电学性能为非接触式,避免了多余电路的引入,有利于器件小型化和功能化。因此,本论文系统研究了PSN-PMN-PT弛豫铁电单晶的光学性能、光控电学性能以及光激励铁电极性可逆反转,为开发新一代多功能铁电光学器件和光激励铁电器件提供相关实验数据。与二元PMN-PT单晶相比,三元PSN-PMN-PT单晶不仅具有高居里温度和大矫顽场,还具有与之可媲美的性能,在实际应用中有一定的优势。为了更好评价PSN-PMN-PT单晶在实际应用中的潜力,设计仿真了一系列医用超声换能器。主要研究内容和结论如下:系统研究了三元单晶PSN-PMN-PT的光学性质;测试了折射率和消光系数,通过修正的Sellmeier色散方程和单振子色散关系得到了PSN-PMN-PT晶体的临界参数。结果表明:与二元PMN-PT单晶相比,三元PSN-PMN-PT单晶在波长大于400 nm的透明区域具有更大的透过率,有望用作光学窗口材料。极化处理能够有效地提高晶体的透过率,相比直流极化,交流极化对透过率的改善更明显,这可能与71o畴壁减少、畴尺寸增加和结构更加有序有关。相比于PMN-PT单晶,Sc3+的加入引起PSN-PMN-PT单晶吸收边蓝移。通过Tauc方程计算光学带隙能量,发现PSN-PMN-PT(3.22 e V)和PMN-PT(3.18 e V)出现带隙差异,表明Sc掺杂对能带结构具有调制作用,从而影响材料的光学性能。借助外加激励光场研究了光激励对PSN-PMN-PT铁电单晶压电、介电、铁电等性能的影响规律,阐明了铁电体中光与物质耦和的相关问题。研究表明:铁电体的电学性能可以通过入射光功率和波长(一种非接触式外部控制装置)进行可逆调节。具体表现为,光诱导铁电体介电和压电性能增加,并且在光照下能稳定存在;撤掉光后迅速恢复到初始值,实现了铁电材料实际应用中的稳定性、可逆性和可重写性。与二元PMN-PT晶体相比,三元PSN-PMN-PT表现出强的光控灵敏性,并且未极化态晶体比极化态晶体具有更大的光控介电增量(~104%)。超高的光控介电性能可能与光的电场分量与微区带电电荷相互耦合的作用有关。我们相信,这些结果将为进一步研究铁电材料的光诱导过程提供一些参考。采用三元PSN-PMN-PT铁电单晶作为压电振元设计了5 MHz、10 MHz不同频率医用超声换能器,结果表明:目标频率为5 MHz、10 MHz的换能器中心频率分别为4.771 MHz和9.543 MHz,带宽均为80.42%。这表明三元PSN-PMN-PT压电单晶在医用超声换能器方面具有一定的应用潜力。