實驗名稱：不同交流極化參數下壓電陣子性能分析

測試設備：高壓放大器、功能發生器、示波器、高精度自動研磨機等。

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

實驗過程：

首先使用高精度自動研磨機將尺寸為5mm×5mm×0.5mm的[001]取向PIMNT晶體和PZT-5H陶瓷板研磨至0.2mm。考慮到研磨引起的表面應力可能會使樣品性能惡化，將板在600℃下退火10小時。然后使用高精度DAD322自動換片機將樣品切割成2.5mm×2.5mm×0.2mm，以避免板邊緣因研磨而產生的缺陷；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。極化實驗裝置示意圖如圖1(c)所示。

實驗結果：

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

實驗研究了PIMNT晶體性能與極化頻率、極化電場和循環次數的關系。如圖2所示，研究了PIMNT晶體的壓電系數、相對介電常數和機電耦合系數與交流極化頻率之間的關系。從圖中可以看出，隨著極化頻率的升高，晶體的壓電系數逐漸增加，并在頻率為10Hz時達到最大值。

圖3：(a)PIMNT晶體的壓電系數、相對介電常數和機電耦合系數隨ACP極化電場的變化(@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，其中極化頻率和循環次數分別固定在10Hz和10cycles。隨著交流電場的增加，系數增加，且增加趨勢基本相似。值得注意的是，在10kV/cm的電場下，交流極化的PIMNT單晶壓電系數d33為1405pC/N，DCP為1147pC/N，ACP比DCP提高了22.5%。同時交流極化后單晶可以保持較高的相對介電常數和較大的機電耦合系數。然而當電場達到20kV/cm時，晶片很容易開裂。因此，電場應固定在10-18kV/cm的范圍內，以確保樣品的完整性的同時能夠得到性能優異的樣品材料。

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審核編輯 黃宇