稀土离子掺杂PZN-PT晶体的电学和光学性能

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由于Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb TiO3(PZN-PT)铁电单晶具有优异的压电、介电、电致应变等电学特性,近年来被广泛研究。这些出色的性能使PZN-PT晶体成为电声设备(包括水下声呐、传感器和医学成像等设备)的潜在应用材料,但是其居里温度(Tc~170℃)和矫顽场较低(Ec~3.5 k V/cm),不适合在高温环境和大功率环境使用,弱的光学性能也限制了其在光学器件上的应用。本文引入稀土离子Eu3+、Sm3+进入PZN-PT晶体,并将Pb(Er1/2Nb1/2)O3(PEN)固溶入PZN-PT晶体研制了新的PEN-PZN-PT材料体系,提高了晶体的居里温度、矫顽场,研究了晶体的相结构、宏观和微观结构以及光致发光特性。采用高温溶液法生长了PZN-PT:Eu、PZN-PT:Sm、15PEN-63PZN-22PT、15PEN-67PZN-18PT和22PEN-50PZN-28PT等晶体,X射线衍射测试表明晶体相结构均为纯钙钛矿结构,并且稀土离子很好的扩散到PZN-PT晶体中形成固溶体。扫描电镜分析表明晶体的生长方式为层状生长。电学性能测试结果表明,稀土离子Eu3+和Sm3+的加入,使得PZN-9PT晶体的矫顽场分别被提高了3倍和7倍。PEN-PZN-PT三元晶体的矫顽场具有高的居里温度(Tc~234-285℃),比PZN-9PT晶体的居里温度(Tc~170℃)提高了64-115℃。在1 k Hz,10 k Hz,100 k Hz和1 MHz频率下,PZN-PT:Eu晶体的弥散度?A分别为56.37,56.76,58.05和58.61 K,PZN-PT:Sm晶体的弥散度?A分别为34.08,34.08,34.12和34.81 K。通过弛豫特性的拟合发现,稀土离子的掺入,可以明显提高PZN-PT晶体的相变弥散度。PZN-9PT:Eu晶体在464 nm波长激光激发下,分别发出绿色(593 nm)、黄色(613 nm)和红色(657和716 nm)光,对应于Eu3+5D07FJ(J=0、1、2、3、4)的跃迁。随着温度从298 K升高到393 K,所有发射峰的强度单调下降。PZN-9PT:Sm晶体在315 nm激光激发下,分别发出蓝绿光(486 nm)、绿光(566 nm)和红光(649 nm)处,对应于4H11/26H5/24G5/26H5/24G5/26H11//2能级跃迁。PEN-PZN-PT晶体在980 nm激光激发下,分别发出绿色(527和563 nm)和红色(680 nm)光,分别对应Er3+从激发态能级2H11/2,4S3/24F9/2到基态能级4I15/2的能级跃迁。
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