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回忆殷先生引导弛豫铁电单晶研究的点滴(罗豪甦)

  值此殷之文先生百年诞辰之际,深情回忆先生引导弛豫铁电单晶研究的点滴,以纪念先生。 

  一、对研究弛豫铁电单晶的布局安排 

  1996年夏天,殷先生利用他在铁电和闪烁材料领域的国际上影响力,邀请GE企业研发中心陶瓷部门负责人Levinson博士来我所访问,并讨论合作研究。当时他们讨论了两个可能的合作方向:第一,新一代医用超声换能器的超高压电性能PMN-PTPZN-PT弛豫铁电单晶的合作。当时GE企业并没有生长这种晶体,他们希翼依托我所力量生长出大尺寸高质量的弛豫铁电单晶,以推动新一代医用超声成像技术的发展。第二,有关PET的闪烁陶瓷的合作,当时我所已有扎实的BGO闪烁单晶研究基础,而GE企业则有不少闪烁陶瓷方面的专利,双方在闪烁陶瓷材料在PET上的应用应该有很好的合作条件。 

  殷先生积多年来他在铁电材料方面的深邃理解,看好弛豫铁电单晶将来会有非常大的发展前景。他在和Levinson博士讨论中,决定首先和GE企业合作生长大尺寸高质量的弛豫铁电单晶生长,推动新型压电单晶在新一代医用超声成像技术中的应用。由于当时上海硅酸盐所单晶生长的研究人员主要力量都在围绕BGO单晶、PWO单晶、CsI单晶等闪烁晶体在展开工作,殷先生充分相信自己学生,从培养年轻人的角度出发,将和GE企业的合作生长弛豫铁电单晶的任务交给了本人来探索和实施。 

  当时,GE企业首期提供了8万美金的合作研究经费,进行弛豫铁电单晶PMNTPZNT单晶的生长研究。在殷先生的关心和安排下,本人首先研究了PMN-PTPZN-PT的钙钛矿结构的稳定性和相图,发现了PZN-PT单晶的钙钛矿结构在高温下稳定性比较差,不适宜直接从熔体中进行单晶生长;而PMN-PT单晶的钙钛矿结构在高温下有比较好的稳定性,适宜于坩埚下降法直接从熔体中生长单晶。通过近一年的努力,于1997年在国际上率先采用坩埚下降法生长出了大尺寸高质量的铌镁钛酸铅Pb(Mgl/3Nb2/3)O3-PbTiO3(简称PMNT或者PMN-PT)固溶体单晶。 

  GE企业非常满意这一研究进展,第二期又提供了5万美金经费继续进行弛豫铁电单晶生长和应用的合作研究,并将相关合作项目从纽约州SchenectadyGE研发中心转到加州San JoseGE超声企业,开展新一代医用超声换能器的开发工作。在GE超声企业开发PMNT单晶相控阵换能器的技术负责人陈家宇博士的领导下,相关研究工作有很多突破性的进展,只是一年后这一个GE超声企业被GE总部卖掉,和我所的合作戛然而止,对双方的影响还是比较大的。 

  不管如何,弛豫铁电单晶的坩埚下降法生长是一开创新性的工作,当时引起了美国海军ONR办公室的关注,2001年还邀请本人和我所科技处长一起赴美,专门召开了一个弛豫铁电单晶的小规模研讨会。弛豫铁电单晶的坩埚下降法生长也是目前国际上生长PMNT弛豫铁电单晶的唯一方法,大大推动了弛豫铁电单晶在新一代医用超声成像中的应用步伐。 

  二、对年轻人的培养和关心 

  殷先生非常关心弛豫铁电单晶的研究进展,当时本人一直是从事光折变BaTiO3晶体的生长研究,缺乏铁电物理和铁电材料的认识和理解。殷先生当时是我所中试基地的主任,每次从定西路园区到嘉定中试基地园区来时,总是在关心引导闪烁晶体生长和研究之后,会来本课题组了解和引导弛豫铁电单晶的研究进展。 

  当殷先生发现本课题组对铁电材料并不熟悉,特别是对弛豫铁电单晶的性能表征不清楚时,专门安排定西路园区原四室从事铁电陶瓷表征的王评初和潘晓明参与到本课题组来工作,进行弛豫铁电单晶的介电、压电、铁电性能的表征,大大促进了弛豫铁电单晶生长和性能的研究工作。 

  在殷先生的关心和引导下,课题组按照IEEE的标准,建立了PMNT单晶介电与压电性能的表征方法,系统表征了PMNT单晶的介电和压电性能。通过对单晶材料不同组分和晶体学方面的相关力学、电学、热学等综合性能的研究,优化了PMNT单晶性能,引导了对该多元体系单晶的组成、晶向和切割、极化方式及极化条件等加工、后处理工艺的优化研究,优化后的PMNT单晶性能远远优于传统的PZT压电陶瓷,使PMNT压电单晶成为新一代的核心高性能压电材料。2003年,课题组在国际上首先发现了弛豫铁电单晶优异的热释电性能,并于2004年申请了国家发明专利。从而,将弛豫铁电单晶发展成为一种优异的热释电材料,热释电系数超过14×10-4cm-2K-1,介电常数在5007000之间可调,介电损耗小于0.4%,探测率优值超过13×10-5Pa-1/2,且物理和化学性能稳定,显示出在高端红外热释电红外探测器中有重要的应用前景。 

  三、对学科发展方向的引导 

  在殷先生的关心和引导下,课题组从单晶材料的研究向功能器件应用的方向推进。 

  2004年,课题组通过不断改进弛豫铁电单晶压电元件的压电性能,并结合理论计算和有限元分析,设计并制备了基于弛豫铁电单晶的各种新型压电器件。课题组自主研发的PMNT单晶压电驱动器和压电马达的位移量是传统PZT陶瓷压电驱动器和压电马达的2倍,驱动电压降低一半;PMNT单晶压电变压器的能量密度达到PZT陶瓷能量密度的7倍;PMNT单晶医用超声换能器插入损耗为-6dB时的带宽比PZT陶瓷提高了5%,相对灵敏度提高了4.5dB,充分显现了单晶材料在新一代医用超声换能器中有重要的应用前景。目前,课题组组织了单晶换能器的技术联盟,和相关超声换能器企业一起,推动新一代单晶换能器的产业化应用。 

  2003年,课题组首先发现弛豫铁电单晶优异的热释电性能后,2004年即开始与上海技术物理所合作研制新型红外补偿探头和紫外定标探头,2005年开始研制非制冷红外焦平面阵列器件,2007年开始与德国Infra-tec企业合作研制红外单探头。至2008年,合作研制的PMNT单晶红外探头的热释电探测性能超过传统的LTDTGS单晶探头,探测率达到6.6x108cmHz1/2W-1,在国际上推动了将弛豫铁电单晶换能器发展成为新一代的高性能热释电红外探测器。目前课题组正在将超高探测灵敏度的弛豫铁电单晶红外探测器,应用于高性能的有毒有害气体的探测。 

  2005年,课题组开始利用PMNT单晶高压电性能,与高磁致伸缩性能的Terfenol-D合金复合制备PMNT/单晶Terfenol-D磁电复合材料,建立磁电效应表征系统。2008年,PMNT单晶/Terfenol-D合金复合材料的准静态磁电系数可达到600mV/Oe,在该磁电复合材料基础上配合放大电路和封装工艺制备出新型高灵敏度磁敏传感器样机。采用PMNT单晶/Terfenol-D复合磁电材料配合PMNT单晶压电变压器升压,得到磁电系数高达57.3mV/Oe的复合材料。课题组已经发展出了新原理磁电型磁传感器,弱磁探测性能已经处于国际领先水平,性能已超越国外禁运的磁通门和海洋光泵磁力仪,目前正在进行海洋磁探测应用验证。 

  回顾多年来的工作和成绩,愈发感激殷先生在弛豫铁电单晶方面的有益引导,特撰此文缅怀先生。 

随殷先生参加国际会议(左起:殷庆瑞,殷之文,罗豪甦)

和殷先生在一起 

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