實(shí)驗(yàn)名稱：不同交流極化參數(shù)下壓電陣子性能分析

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、功能發(fā)生器、示波器、高精度自動(dòng)研磨機(jī)等。

圖1：(a)直流極化示意圖，(b)交流極化示意圖，(c)交流極化裝置

實(shí)驗(yàn)過程：

首先使用高精度自動(dòng)研磨機(jī)將尺寸為5mm×5mm×0.5mm的[001]取向PIMNT晶體和PZT-5H陶瓷板研磨至0.2mm?？紤]到研磨引起的表面應(yīng)力可能會(huì)使樣品性能惡化，將板在600℃下退火10小時(shí)。然后使用高精度DAD322自動(dòng)換片機(jī)將樣品切割成2.5mm×2.5mm×0.2mm，以避免板邊緣因研磨而產(chǎn)生的缺陷；最后通過磁控濺射在樣品的兩面沉積金電極，電極的厚度大概100μm。PIMNT單晶在空氣中通過DCP或ACP沿[001]方向極化，而PZT-5H陶瓷通過DCP極化。DC和AC極化條件的示意圖分別如圖1(a)和1(b)所示。極化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1(c)所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：(a)PIMNT晶體的壓電系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)隨ACP極化頻率的變化(@10kV/cm和10cycles)，(b)ACPPIMNT單晶的阻抗(@10kV/cm和15Hz)。

實(shí)驗(yàn)研究了PIMNT晶體性能與極化頻率、極化電場(chǎng)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。如圖2所示，研究了PIMNT晶體的壓電系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)與交流極化頻率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著極化頻率的升高，晶體的壓電系數(shù)逐漸增加，并在頻率為10Hz時(shí)達(dá)到最大值。

圖3：(a)PIMNT晶體的壓電系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)隨ACP極化電場(chǎng)的變化(@10Hz和10cycles)，(b)ACPPIMNT單晶的阻抗(@10kV/cm和10cycles)。

圖3顯示了PIMNT單晶的系數(shù)，其中極化頻率和循環(huán)次數(shù)分別固定在10Hz和10cycles。隨著交流電場(chǎng)的增加，系數(shù)增加，且增加趨勢(shì)基本相似。值得注意的是，在10kV/cm的電場(chǎng)下，交流極化的PIMNT單晶壓電系數(shù)d33為1405pC/N，DCP為1147pC/N，ACP比DCP提高了22.5%。同時(shí)交流極化后單晶可以保持較高的相對(duì)介電常數(shù)和較大的機(jī)電耦合系數(shù)。然而當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到20kV/cm時(shí)，晶片很容易開裂。因此，電場(chǎng)應(yīng)固定在10-18kV/cm的范圍內(nèi)，以確保樣品的完整性的同時(shí)能夠得到性能優(yōu)異的樣品材料。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇