一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，該鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的化學式為Ga1?xFexAsO4，其中x的取值范圍為0<x<1；本發(fā)明實施例還提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，通過本發(fā)明能夠使用價格低廉的Fe摻雜部分取代Ga，得到類α?石英晶體Ga1?xFexAsO4；與GaAsO4具有相同的晶體結構，同屬空間群P3121或P3221，32點群。其中As5+占據(jù)X位，F(xiàn)e3+和Ga3+共同隨機占據(jù)M位。具有成本低廉，易于晶體材料生長和制備等優(yōu)點，有利于廣泛實用化，有望獲得大規(guī)模工業(yè)化應用。
【專利說明】
一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于壓電材料技術領域，具體涉及一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]壓電材料是指具有壓電效應的材料，壓電效應是指某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在它的兩個相對表面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，是機械能和電能轉換的一種形式，同時存在逆壓電效應，涉及電能到機械能的轉換。
[0003]壓電材料廣泛用于制作諧振、換能器、傳感器和濾波器等電子元器件，是現(xiàn)代電子技術和通訊行業(yè)不可或缺的基本材料。目前在市場最廣泛使用的壓電材料主要是α-石英和鈮酸鋰晶體;α-石英具有生產(chǎn)成本低，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是，它的缺點也十明顯，例如壓電活性較低，在573°C存在α石英_β石英的相變，以及低的機電耦合系數(shù)(8.8%)等，限制了其在高溫條件下以及在微型器件中的使用，鈮酸鋰晶體與α-石英相比，盡管具有較大的機電耦合系數(shù)，但頻率溫度穩(wěn)定性較差，這些都限制了它們在現(xiàn)代通訊技術及器件微型化和航天技術領域方面的發(fā)展要求；因此，研究具有較好壓電性能且能在較高溫度環(huán)境下使用的新型壓電材料是迫切而具有實際意義的課題。
[0004]目前，類α-石英壓電材料MmXvO4(M=Al ,Ga,Fe; X=As，P)的研究受到了人們的廣泛關注;類石英材料屬于P3U1或者Ρ3221空間群，晶體結構中由MmO4四面體和XvO4四面體鏈沿著2軸螺旋構建而成，其壓電性能和其熱穩(wěn)定性與α相相對于β相的結構扭曲密切相關，該結構畸變一般用四面體的橋接角Θ和四面體傾斜角δ這兩個角度來描述。
[0005]近年來，一系列的類α-石英壓電材料以及它們的固溶體相繼被合成，表征和研究，主要包括:Si02-Ge02、Si02-P0N、Si02-AlP04、AlP04、FeP04、GaP04、AlP04-GaP04、AlP04-AlAs04、AlP04-FeP04、GaAs04、AlP04-AlAs04、AlP04-FeP04 等。 目前的研究結果表明，這些材料的壓電性能隨著其結構扭曲程度，即隨著Θ的減小和δ的增大呈一定的線性函數(shù)關系變化，而獲得更大程度結構畸變的一種主要途徑就是增加M位陽離子的平均尺寸。
[0006]在類α-石英材料中，GeO2和GaAsO4被認為是具有最扭曲的結構，具有最低Θ角和最高的δ值，表現(xiàn)出最高壓電耦合系數(shù)22%)和最高的熱穩(wěn)定性(GaAsO4直到幾乎1303Κ的分解溫度之前都不會發(fā)生相變)，因而被認為是很有潛力的高溫壓電材料;但是，昂貴的原料價格嚴重限制了它們的應用。
[0007]同時，為了探索性能更好，成本低廉的壓電材料，人們對類α-石英壓電材料的異質同構體化合物也開展了廣泛的研究，已報道的化合物包括Al1IGaxPO4和Ga1IFexPO4等;例如Al1-xGaxP04，此種材料在M位上采用Al替代了Ga,由于ΑΙ2Ο3的價格遠地于Ga2O3,使材料成本大幅度下降，同時兼具優(yōu)異的壓電性能，使其在制作壓電器件方面具有很強的優(yōu)勢，但在材料制備的過程中發(fā)現(xiàn)，對于GaPO4材料而言，上述Al和Fe替代了Ga后的材料結晶性較差，難以獲得無宏觀缺陷，大尺寸的晶體，影響材料的推廣使用。
[0008]目前還沒有對于Ga1IFexAsO4晶體和其制備的研究報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料及其制備方法。
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的:
本發(fā)明實施例提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，該鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的化學式為Ga1-xFexAs04，其中x的取值范圍為0〈x〈 I。
[0011]上述方案中，所述X的取值范圍為0.10〈x〈0.60。
[0012]上述方案中，所述鐵摻雜砷酸鎵壓電材料具有與砷酸鎵GaAsO4相同的晶體結構，同屬于類α-石英晶體，屬空間群P3U1或P3221，32點群。
[0013 ]本發(fā)明實施例還提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，該制備方法通過如下步驟實現(xiàn):
步驟(I):按照計量比稱取含鎵化合物和含鐵化合物分別溶于砷酸溶液中，配制不同離子濃度的反應物，將上述反應溶液在室溫下攪拌直到溶液澄清；
步驟(2):按照Ga:Fe濃度比1:1?2將步驟(I)制得的兩種溶液在磁力攪拌下混合均勻； 步驟(3):將步驟(2)混合均勻的溶液轉入聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應釜中；
步驟(4):將所述水熱反應釜放置在反應爐中，加熱到150?170 0C，保溫3?5天；
步驟(5):將所述反應爐按照每天升溫3?5°C的幅度，持續(xù)加熱到230?245°C ;
步驟(6 ):反應結束后，將所述水熱反應釜快速冷卻，然后將所得到產(chǎn)物洗滌，干燥后將產(chǎn)物置于坩禍中，于500°C?700°C加熱24?72小時得到最終目標產(chǎn)物。
[0014]上述方案中，所述含鐵化合物采用Fe(NO3)3.9H20、Fe2(S04)3或FeX3，X為鹵素離子。
[0015]上述方案中，所述含鎵化合物采用GaO(OH)或Ga(OH)。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明通過使用價格低廉的Fe摻雜部分取代Ga，得到類α-石英晶體Ga1-XFexAsO4;與GaAsO4具有相同的晶體結構，同屬空間群P3i21或Ρ3221，32點群。其中As5+占據(jù)X位，F(xiàn)e3+和Ga3+共同隨機占據(jù)M位。具有成本低廉，易于晶體材料生長和制備等優(yōu)點，有利于廣泛實用化，有望獲得大規(guī)模工業(yè)化應用。
【附圖說明】
[0017]圖1是實施例一所得材料的X射線衍射圖；
圖2是實施例二所得材料能譜(EDS)定量分析和掃描電鏡(SEM)圖；
圖3是實施例一和二所得Ga1IFexAsO4材料的拉曼光譜相對于鐵含量的位移圖。
【具體實施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明實施例提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，該鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的化學式為Ga1-XFexAsO4，其中x的取值范圍為0〈x〈 I。
[0020]所述X的優(yōu)選取值范圍為0.10<x<0.60。
[0021]所述鐵摻雜砷酸鎵壓電材料具有與砷酸鎵GaAsO4相同的晶體結構，同屬于類α-石英晶體，屬空間群P3U1或Ρ3221，32點群;其中As5+占據(jù)X位，F(xiàn)e3+和Ga3+共同隨機占據(jù)M位。具有成本低廉，易于晶體材料生長和制備等優(yōu)點，有利于廣泛實用化，有望獲得大規(guī)模工業(yè)化應用。
[0022 ]本發(fā)明實施例還提供一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，該制備方法通過如下步驟實現(xiàn):
步驟(I):按照計量比稱取含鎵化合物和含鐵化合物分別溶于砷酸溶液中，配制不同離子濃度的反應物，將上述反應溶液在室溫下攪拌直到溶液澄清；
步驟(2):按照Ga:Fe濃度比1:1?2將步驟(I)制得的兩種溶液在磁力攪拌下混合均勻； 步驟(3):將步驟(2)混合均勻的溶液轉入聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應釜中；
步驟(4):將所述水熱反應釜放置在反應爐中，加熱到150?170 0C，保溫3?5天；
步驟(5):將所述反應爐按照每天升溫3?5°C的幅度，持續(xù)加熱到230?245°C。
[0023]步驟(6):反應結束后，將所述水熱反應釜快速冷卻，然后將所得到產(chǎn)物洗滌，干燥后將產(chǎn)物置于坩禍中，于500°C?700°C加熱24?72小時得到最終目標產(chǎn)物。
[0024]所述含鐵化合物采用Fe(NO3)3.9出0、？62(304)3或?6乂34為鹵素離子。
[0025]所述含鎵化合物采用GaO(OH)或Ga(OH)。
[0026]所述步驟(6)中，將水熱反應釜快速冷卻，然后將所得到產(chǎn)物洗滌，干燥后所得產(chǎn)物為Ga1-XFexAsO4的水合產(chǎn)物。
[0027]通過本發(fā)明所制得的鐵摻雜砷酸鎵壓電材料具有比砷酸鎵低的成本，有望實現(xiàn)砷酸鎵壓電材料在成本大幅度降低的同時實現(xiàn)性能提升和應用擴展；另外，本發(fā)明能夠放大用于制備生長大晶體所需要的籽晶和小晶體原料。
[0028]實施例一
，合兩溶液an用天平分別稱取0.075mol的Fe(NO3)3.9H20和0.075mol的GaO(OH)，在攪拌下溶于10mL砷酸溶液中。
[0029]，后爐乙烯攪拌均勻后，將上述溶液轉移到聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應釜中，密封后，放入到加熱爐中，升溫到170°C，保溫5天。然后，以每天5°C的升溫速率將水熱反應釜溫度加熱到235°C。
[0030]待反應結束后，將水熱反應釜取出，置于冷水中快速冷卻，冷卻后，打開水熱反應釜，對產(chǎn)物分別用去離子水和無水乙醇進行洗滌、過濾。
[0031 ]將過濾產(chǎn)物于60°C干燥得到水合物相，500°C干燥24小時得到脫水的產(chǎn)品，對其進行元素含量測定，得出其化學計量式為Ga0.82Fe0.18As04。
[0032]實施例二
，合兩溶液an用天平稱取0.1OOmol的Fe(NO3)3.9H20和0.075mol的GaO(OH)，在攪拌下分別溶于50mL砷酸溶液中，待兩種溶液分別配制完成后，在繼續(xù)攪拌情況下，將兩種溶液緩慢混合。
[0033]，后爐乙烯然后將上述混合溶液轉移到聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應釜中，密封后，放入到加熱爐中，升溫到170°C，保溫3天。然后，以每天5°C的升溫速率將水熱反應釜溫度加熱到245°C。
[0034]待反應結束后，將水熱反應爸取出，置于冷水中快速冷卻，冷卻后，打開水熱反應釜，對產(chǎn)物分別用去離子水和無水乙醇進行洗滌、過濾。
[0035]將過濾產(chǎn)物于60°C干燥得到水合物相，700°C干燥24小時得到脫水的產(chǎn)品，對其進行元素含量測定，得出其化學計量式為Ga0.4Fe0.bAs04。
[0036]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，其特征在于:該鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的化學式為Ga1-xFexAs04，其中x的取值范圍為0〈x〈 I。2.根據(jù)權利要求1所述的鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，其特征在于:所述X的取值范圍為0.10<x<0.60o3.根據(jù)權利要求1或2所述的鐵摻雜砷酸鎵壓電材料，其特征在于:所述鐵摻雜砷酸鎵壓電材料具有與砷酸鎵G a A s O 4相同的晶體結構，同屬于類α -石英晶體，屬空間群P 3 i 21或P3221，32 點群。4.一種鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，其特征在于，該制備方法通過如下步驟實現(xiàn): 步驟(I):按照計量比稱取含鎵化合物和含鐵化合物分別溶于砷酸溶液中，配制不同離子濃度的反應物，將上述反應溶液在室溫下攪拌直到溶液澄清； 步驟(2):按照Ga:Fe濃度比1:1?2將步驟(I)制得的兩種溶液在磁力攪拌下混合均勻； 步驟(3):將步驟(2)混合均勻的溶液轉入聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱反應釜中； 步驟(4):將所述水熱反應釜放置在反應爐中，加熱到150?1700C，保溫3?5天； 步驟(5):將所述反應爐按照每天升溫3?5°C的幅度，持續(xù)加熱到230?245°C; 步驟(6):反應結束后，將所述水熱反應釜快速冷卻，然后將所得到產(chǎn)物洗滌，干燥后將產(chǎn)物置于坩禍中，于500°C?700°C加熱24?72小時得到最終目標產(chǎn)物。5.根據(jù)權利要求1所述的鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，其特征在于:所述含鐵化合物采用Fe(NO3)3.9H20、Fe2(SO4)3或FeX3,X為鹵素離子。6.根據(jù)權利要求1所述的鐵摻雜砷酸鎵壓電材料的制備方法，其特征在于:所述含鎵化合物采用GaO(OH)或Ga(OH)。
【文檔編號】C01G28/02GK106082328SQ201610459074
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】鄭德山, 吳晗, 羅鵬輝
【申請人】西安工業(yè)大學