以压电基底为核心元件之一的声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件是一种利用电声信号转换实现多功能应用的器件。由于其结构简单、性能出色、微小型化、低插损、一致性好等优势而倍受科研学者关注,通常应用于电子战、雷达等军事领域,通信和广播电视系统等民用领域。SAW谐振器是其中的一个重要分支,已广泛应用于物理、化学及生物等领域的传感器系统。此外,谐振器在无线通信领域中也占据着重要地位。其中,压电材料作为SAW谐振器的核心元件对器件能实现的最大带宽起了决定性作用。随着科技的发展,如何实现微型化、宽带化的SAW器件已逐步成为国内外关注的热点,对实现宽带器件的压电材料亦具有更为迫切的需求。因此,本论文主要针对两种兼具高压电常数、高介电常数以及高机电耦合系数的新型弛豫铁电单晶进行深入研究:锰掺杂铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅0.5mol%Mn-0.3Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3Pb Ti O3(简称Mn-PIMNT)和钛酸铋钠-钛酸钡Na0.5Bi0.5Ti O3-0.05Ba Ti O3(简称NBBT)单晶。主要进行了以下三方面的工作:(1)选用[001]取向Mn-PIMNT单晶,研究温度、电场对单晶宏观电学性能(包括介电、铁电和压电性能)以及微观畴结构、相结构的影响规律。在介电性能分析中发现115°C(TR-M)、122°C(TM-T)、155°C(TT-C)附近存在三种异常,此时介电常数具有很强的频率依赖性。应变曲线表明,电场诱导的高温相变是不连续的,具有一级相变的特征。此外,矫顽场(EC)、剩余极化强度(Pr)、最大应变(Smax)和纵向电致伸缩系数(Q)等参量随温度变化呈现出不同的变化趋势。Pr和EC值随温度的升高而逐渐降低,当温度接近TR-M和TM-T时,Pr急剧降低,而Smax和Q显著升高。还研究了单晶在双向电场下的疲劳性质,发现即使在20 k V/cm电场下循环加载105次后,该单晶仍表现出优异的电学稳定性。利用压电力显微镜研究单晶在不同温度、外电场下的畴结构及其变化规律,结果发现Mn-PIMNT单晶具有长几微米,宽数百纳米的条状畴结构;在居里点以上仍具有均匀稳定的畴结构,这与弛豫铁电体典型的弥散相变特征有关。且高于TC仍存在的极性纳米微区(PNRs)也有助于在局域范围内形成稳定的畴结构。(2)采用有限元法(Finite Element Method,FEM)建立沿不同方向极化的Mn-PIMNT弛豫铁电单晶的SAW谐振器仿真模型。深入研究传播速度v、机电耦合系数K2、损耗等性能与单晶极化方向、切型与后处理工艺的内在关系。研究结果表明,Z切Mn-PIMNT单晶所得到的Rayleigh SAW波速整体上都随着金电极厚度的增加而减小,变化范围为1200 m/s到2300 m/s,且v[111]>v[011]>v[001]。其中,沿[001]方向极化的Mn-PIMNT单晶由于能量泄露到衬底导致谐振峰微弱且获得的K2无参考价值,而对于沿[011]以及[111]方向极化的单晶,当电极厚度足够大时,K2趋于稳定,且K2[011]>K2[111],其变化范围为9%~27%。当hAu=10%λ时,K2[011]取得较大值23.8%,K2[111]为22%,与零电极厚度相比提高了约2.3倍。当β=25°时,K2[111]=24%,其值高于Z切、Y切基底所能实现的最大值,于是优化后的切型为25°Z-X。此外,通过建立叉指换能器的微加工制备方法,研制出该基底的SAW谐振器原型器件,其IDT线宽均匀一致,达0.8μm。(3)对NBBT无铅压电单晶在不同模型参数下的声表面波激发和传播特性进行了系统的理论研究,主要围绕如何选择合适的IDT厚度、切型以及谐振器配置等参数来优化SAW特性,为制备兼具高声速、高机电耦合系数以及低损耗的SAW器件提供基础。对优化电极类型和厚度的NBBT的计算结果表明,基于Z-X NBBT的SAW谐振器在hAu=13%λ时,可实现较大的K2(~18%)的同时得到较小的传播损耗,如此大的K2值是传统压电材料所能达到的四倍以上。此外,当切型为Y-50°X时,二阶Sezawa SAW被激励,其谐振频率(fr~750 MHz)是一阶Rayleigh SAW模态的两倍,K2约为6.8%。通过改变电极厚度或基底切型可抑制寄生响应以便获得理想的谐振模态。本课题全面研究了无铅NBBT的声表面波传播特性,探索了NBBT在宽带声表面波器件中的应用前景。