本發(fā)明涉及一種單晶的制備方法。

背景技術(shù)：
1880年，物理學(xué)家J.Curie和P.Curie在研究α石英晶體過程中，發(fā)現(xiàn)其具有壓電效應(yīng)，從此人們開始了對壓電材料的研究。1920年，法國科學(xué)家Valasek發(fā)現(xiàn)某些壓電材料具有鐵電性。從此人們開始了對鐵電材料的研究。壓電鐵電材料在工業(yè)、民用以及軍事上應(yīng)用極為廣泛，包括濾波器、諧振器、傳感器、換能器等數(shù)十種器件。目前應(yīng)用最為廣泛的是以鋯鈦酸鉛為代表的鉛基壓電材料，但是由于其中鉛元素含量極高，在應(yīng)用過程中會(huì)對人類和環(huán)境造成很大的傷害。近年來，國際上正在積極通過法律、法規(guī)對含鉛的電子產(chǎn)品等進(jìn)行禁止，因此壓電材料的無鉛化是以后壓電領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。近幾十年來，國內(nèi)外研究者對無鉛壓電材料進(jìn)行了大量的研究，其中關(guān)于鈮酸鉀鈉(KNN)基無鉛壓電材料的研究取得了重大的突破。研究者們發(fā)現(xiàn)在K/Na的摩爾比在1/1附近，由于體系存在一個(gè)準(zhǔn)同型相界，在此區(qū)域會(huì)表現(xiàn)優(yōu)異的壓電性能：d33＝80pC/N。一般來講，單晶的要優(yōu)于同組分陶瓷的性能，并且可以通過疇工程技術(shù)可以進(jìn)一步的提高其壓電性能。目前，人們已經(jīng)可以生長出鈮酸鉀鈉單晶，但是生長出的單晶存在尺寸較小，內(nèi)應(yīng)力較大(容易開裂)以及缺陷較多等一系列的原因，需要一種可以生長出高質(zhì)量、高性能單晶的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有方法制備的鈮酸鉀鈉單晶尺寸較小、內(nèi)應(yīng)力大的技術(shù)問題，提供了一種K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法。K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨機(jī)研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質(zhì)的量與Nb的物質(zhì)的量比為1.1～1.3﹕1，K原子與Na原子總的物質(zhì)的量比為2.3～4.0﹕1，將混合粉末放入坩堝內(nèi)；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為10～25r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到單晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度為2～2.5mm/h的條件下將單晶提拉至12mm～25mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本發(fā)明首次采用頂部籽晶助溶劑法的方法實(shí)現(xiàn)了大尺寸的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的制備，生長出的單晶尺寸可為11mm×11mm×15mm。本發(fā)明首次采用頂部籽晶助溶劑法的方法實(shí)現(xiàn)了缺陷少，漏電流小、壓電常數(shù)大的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的制備。本發(fā)明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶，在室溫時(shí)呈正交相，呈鐵電性。本發(fā)明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的居里溫度是400～422℃，本發(fā)明所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的壓電常數(shù)d33可達(dá)175～190pC/N。附圖說明圖1為本發(fā)明單晶生長爐的溫場結(jié)構(gòu)圖，1為鉑金后繼加熱器、2為氧化鋯、3為剛玉、4為鉑坩堝、5為鋯沙；圖2為實(shí)驗(yàn)一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶照片；圖3為實(shí)驗(yàn)一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的漏電流示意圖；圖4為實(shí)驗(yàn)一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的粉末X射線衍射測量結(jié)果示意圖；圖5為實(shí)驗(yàn)一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的電滯回線示意圖；圖6為實(shí)驗(yàn)一制備的K0.5Na0.5NbO3單晶的介電常數(shù)隨溫度變化示意圖；圖7是實(shí)驗(yàn)二制備的K0.5Na0.5NbO3單晶照片。具體實(shí)施方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用變頻行星式球磨機(jī)研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質(zhì)的量與Nb的物質(zhì)的量比為1.1～1.3﹕1，K原子與Na原子總的物質(zhì)的量比為2.3～4.0﹕1，將混合粉末放入坩堝內(nèi)；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900～1000℃，并保持900～1000℃6h～10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1240℃～1275℃，并在1240℃～1275℃保持6～10h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為10～25r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到單晶放肩至8mm～12mm，然后在提拉速度為2～2.5mm/h的條件下將單晶提拉至12mm～25mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實(shí)施方式步驟一中所用的球磨機(jī)型號(hào)為：XQM-2L。具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是步驟一中混合粉末中K原子與Na原子總的物質(zhì)的量與Nb的物質(zhì)的量比為11﹕10，K原子與Na原子總的物質(zhì)的量比為3﹕1。其它與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二之一不同的是步驟二中的升溫速度為100℃/h～200℃/h。其它與具體實(shí)施方式一或二之一相同。具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是步驟二中的反應(yīng)時(shí)間溫度為900℃，時(shí)間為6h。其它與具體實(shí)施方式一至三之一相同。具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是步驟三中在室溫條件下升溫至1250℃，并保持1250℃7h，再降溫至1180℃。其它與具體實(shí)施方式一至四之一相同。具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是步驟三中升溫至1240℃～1275℃的升溫速度為80℃/h～150℃/h。其它與具體實(shí)施方式一至五之一相同。具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是步驟三中降溫至1180℃的降溫過程為20℃/h～35℃/h。其它與具體實(shí)施方式一至六之一相同。具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是步驟四中在籽晶桿轉(zhuǎn)速為15r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為2mm/h的條件下將單晶提拉至15mm，再將單晶提出，而后降至室溫。其它與具體實(shí)施方式一至七之一相同。具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是步驟四中的降溫過程為：首先以40℃/h的速度降溫至1100℃，再以50℃/h的速度降溫至800℃，然后再以30℃/h的速度降溫至600℃，再以20℃/h的速度降溫至室溫。其它與具體實(shí)施方式一至八之一相同。采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果:實(shí)驗(yàn)一：K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用球磨機(jī)研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質(zhì)的量與Nb的物質(zhì)的量比為11﹕10，K原子與Na原子總的物質(zhì)的量比為3﹕1，將混合粉末放入坩堝內(nèi)；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下升溫至900℃，并保持900℃6h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下升溫至1250℃，并保持1250℃7h，再降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為15r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為0.2mm/h的條件下將單晶提拉至15mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實(shí)驗(yàn)制備的K0.5Na0.5NbO3單晶，生長出的單晶尺寸為：11mm×11mm×15mm，如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)制備的K0.5Na0.5NbO3單晶漏電流如圖3所示，從圖3中看出K0.5Na0.5NbO3單晶缺陷少，漏電流小。本實(shí)驗(yàn)所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶，在室溫時(shí)呈正交相，呈鐵電性，如圖4及圖5所示。本實(shí)驗(yàn)所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的居里溫度是422℃，如圖6所示。本實(shí)驗(yàn)所得到的鈮酸鉀鈉(K0.5Na0.5NbO3)單晶的壓電常數(shù)d33為190pC/N。實(shí)驗(yàn)二：本實(shí)驗(yàn)的K0.5Na0.5NbO3單晶的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：一、稱取K2CO3粉末、Na2CO3粉末和Nb2O5粉末混合，使用變頻行星式球磨機(jī)研磨混合均勻，得混合粉末，混合粉末中K原子與Na原子總的物質(zhì)的量與Nb的物質(zhì)的量比為1.1﹕1，K原子與Na原子總的物質(zhì)的量比為3﹕1，將混合粉末放入坩堝內(nèi)；二、將坩堝置于加熱爐，在室溫的條件下以150℃/h的速率升溫至950℃，并在950℃條件下保持10h，得到鈮酸鉀鈉多晶體；三、將盛放鈮酸鉀鈉多晶的坩堝放入生長爐中，在室溫條件下以100℃/h的速度升溫至1255℃，并在1255℃條件下保持10h，再以30℃/h的速度降溫至1180℃；四、采用頂部籽晶助熔劑法，在籽晶桿轉(zhuǎn)速為20r/min的條件下旋轉(zhuǎn)到單晶放肩至10mm，然后在提拉速度為2.5mm/h的條件下將單晶提拉至18mm，再將單晶提出，而后降至室溫，即得K0.5Na0.5NbO3單晶。本實(shí)驗(yàn)得到的K0.5Na0.5NbO3單晶的照片如圖7所示。本實(shí)驗(yàn)得到的K0.5Na0.5NbO3單晶的缺陷少，漏電流為0.0000003微安，漏電流小，居里溫度為420℃，壓電常數(shù)d33為185pC/N。