رشد فلاكس و خواص تك كریستال های PZN-PT و PMN-PT (1)

مقدمه

تك كریستال های رلاكسور كه به طور قابل توجه محلول های جامدی از جنس هستند، در سال های اخیر، به طور مكرر مورد مطالعه قرار گرفته اند. علت این مسئله ثوابت دی الكتریك و پیزوالكتریك بالای این موارد و همچنین جدید بودن این مواد، می باشد. این مواد كاندیداهای خوبی برای وسایل پیزوالكتریك با كارایی بالا مانند پروب های تصویربرداری الكتراسونیك، سونارهای مورد استفاده در ارتباطات زیر آبی، سنسورها و فعال سازهای با امنیت بالا هستند.
برخلاف PZT ها، تك كریستال های PZN-PT و PMN_PT را می تواند به سهولت از محلول های با دمای بالا یا از طریق ذوب متجانس رشد داد. رشد تك كریستال های رلاكسور در اواخر دهه ی 1950 بوسیله ی محققین روسی ابداع شد. این محققین به طور موفقیت آمیز تك كریستال های ، ، و را از طریق روش رشد از حالت محلول، تولید كردند. آنها از اكسید سرب به عنوان فلاكس استفاده كردند. در اواخر دهه ی 1960، Nomura و همكارانش به طور موفقیت آمیز تك كریستال های PZN-PT را با از محلول های جامد با گستره ی تركیب متنوع تولید كردند. از آن زمان به بعد، تنها گزارشات اندكی در مورد رشد تك كریستال های PMN-PT با استفاده از برخی فلاكس ها گزارش شده است.
در اوایل دهه ی 1980، Kuwata و همكارانش یك سری از اقدامات در این زمینه انجام دادند و متوجه شدند كه نمونه های PZN-9%PT قطبی شده در طول محور [001] كریستالی، برخلاف قاعده دارای ضرایب پیزوالكتریك و فاكتورهای كوپل شوندگی الكترومكانیكی بزرگی است (,). بعد از این دوره، یك دوره ی ركود در فعالیت های تحقیقاتی در زمینه ی این محصولات مشاهده شده است. در سال 1990، Ye و همكارانش، از یك مطالعه ی سیستماتیك بر روی رشد تك كریستال های PMN با استفاده از فلاكس PbO خبر دادند و همچنین به این مسئله اشاره كرده اند كه افزودن 5 % وزنی اكسید بور موجب افزایش تشكیل فاز پیروكلر می شود. به عبارت دیگر، Shrout و همكارانش در سال 1990 سنتز موفقیت آمیز تك كریستال های PMN-PT را با استفاده از فلاكس تركیبی PbO و اكسید بور، خبر دادند.
در میانه ی دهه ی 1990، مطالعات سیستماتیك بر روی رشد فلاكس تك كریستال های PZN-PT با استفاده از روش فلاكس دما بالا بوسیله ی دو گروه مجزا (یكی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و دیگری مركز تحقیقات توشیبا) انجام شد. سپس، اندازه ی كریستال های بدست آمده به طور موفقیت آمیز افزایش یافت تا بدین وسیله توانایی ارزیابی خواص این مواد و همچنین بررسی وسایل تولیدی از آنها، میسر گردد. در سال 1994، Saitoh و همكارانش اولین ثبت اختراع در مورد پروب های التراسونیك پزشكی را ارائه كردند كه از تك كریستال های PZN-PT با حساسیت و پنهای باند بهبود یافته تولید شده بودند. در سال 1996 و 1997، Park و Shrout یک سری مقاله منتشر کردند که تأیید کننده ی خاصیت فوق العاده ی دی الکتریک و پیزوالکتریک تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT است. کارهای آنها یک علاقه در سرتاسر دنیا به منظور تحقیق و استفاده از تک کریستال های رلاکسور PT با اندازه ی بالا، ایجاد گردید.
اندازه ی تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT تولید شده با روش رشد فلاکس متداول نسبتاً کوچک است و معمولا زیر 20 میلی متر است. به منظور رشد تک کریستال های PZN-PT با اندازه ی بزرگ، سایر روش های رشد فلاکس مورد بررسی قرار گرفت. این روش ها شامل روش رشد بریجمن از حالت محلول می باشد. علاوه بر این، روش رشد از حالت محلول و با دانه گذاری از بالا (TSSG) نیز بوسیله ی برخی از محققین مورد بررسی قرار گرفته است. این در حالی است که Fang و همکارانش در سال 2001، رشد تک کریستال های PZN-9%PT را به طور مستقیم از مذاب تولید کردند. در زمان نوشته شدن این مقاله، بزرگترین کریستال های رشد داده شده از روش فلاکس در حدود 3 اینچ بوده است. این کریستال ها از طریق روش بریجمن محلولی با بوته پلاتینی تولید شده است.
مشابه با رویه ی قبلی، PMN-PT از طریق روش رشد کریستال ها از مذاب متجانس تولید شده اند. تک کریستال های PMN-PT با قطر 50 تا 76 میلی متری یا بزرگتر از یک اندازه و بزرگتر از 100 میلی متر طول، بوسیله ی چندین محقق رشد داده شده است.
علارغم تلاش های گسترده در زمینه ی رشد فلاکس PZN-PT و PMN-PT و رشد کریستال های PMN-PT از حالت مذاب، هم اکنون رشد تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT با مشکلات عدیده ای روبروست. یکی از موضوعات عدیده، جدایش ترکیب شیمیایی در کریستال های رشد داده شده است. این مسئله منجر به پراکندگی قابل توجه در دی الکتریک اندازه گیری شده و خواص الکترومکانیکی گزارش شده بوسیله ی گروه های تحقیقاتی مختلف می شود. راه های توسعه ی تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT هموژن و با کیفیت بالا، یکی از چالش های عدیده است که محققین پیش از کاربرد گسترده ی آنها، با آنها روبروست.
این مقاله نتایج مربوط به رشد تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT با روش فلاکس مورد بررسی قرار گرفته است. مکانیزم های رشد این کریستال ها به روش فلاکس و اثرات فلاکس و ترکیب شیمیایی و شرایط رشد بر روی کیفیت کریستال رشد داده شده مورد بررسی و بحث قرار گرفته است. تک کریستال های بزرگ ( بزرگتر از 35 میلی متر برای PZN-PT و 25 میلی متر برای PMN-PT) و با هموژنیته ی بالا به طور موفقیت آمیز بوسیله ی روش رشد بهبود یافته ی فلاکس، تولید شده اند. در این روش رشد لایه های (001) کریستال توسعه داده شده است. خواص کریستال های حاصله، نیز ارزیابی و نتایج ارائه و بررسی شده است.

رشد فلاکس تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT

شکل 1 ستاپ نمونه وار و نتایج حاصل از رشد فلاکس تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT در دمای بالا را نشان می دهد. متداول ترین فلاکس های مورد استفاده، مخلوطی از PbO و است. نسبت مولی حل شونده به فلاکس بین 0.55 تا 0.45 و 0.30 تا 0.70 متغیر است.
اجزای اکسیدی پودری شکل با خلوص 99.95 % یا بالاتر، توزین می شود و سپس به طور مناسب مخلوط می گردد. مخلوط آماده شده ممکن است به صورت مستقیم به داخل بوته ی پلاتینی شارژ شود و یا پیش از شارژ کردن، کلسینه گردد. سپس بوته ی پلاتینی با سرپوش پوشانده می شود و سپس در داخل یک بوته ی آلومینایی قرار داده می شود (مشابه شکل 1a). این بوته از اتلاف PbO جلوگیری می کند. این بخش در داخل کوره ی رشد کریستال قرار داده می شود. این کوره عمدتاً مجهز به المان های سرمایشی است که از جوانه زنی ناخواسته جلوگیری می کند. روش های مورد استفاده برای سرد کردن محلی شامل استفاده از میله ی فلزی نازک و جریان کنترل شده ی گاز می باشد.
بوته به همراه شارژ اولیه، تا دمای بالا حرارت دهی می شود. این دما به طور نمونه وار بین 1150 و 1250 می باشد و این حرارت دهی تا دمایی بالاتر از 10 ساعت انجام می شود تا بدین صورت محلولی هموژن ایجاد گردد. سپس آرایه های مربوطه با یک سرعت کنترل شده سرد می شوند. این سرد کردن با سرعتی بین 0.5 تا 1.5 درجه ی سانتیگراد بر ساعت می باشد تا بدین صورت فرایند درشد کریستال آغاز گردد.
وقتی جوانه زنی تک کریستال کامل به میانه ی بوته ی بوته ی پلاتینی برسد، کریستال به یک رویه ی بدون تنش رشد داده خواهد شد تا بدین صورت محدودیت های موجود کاهش یابد و این رویه به طور کامل در یک محلول غنی از اکسید سرب انجام می شود. مورد آخر، مسئله ی مهمی است زیرا بیشتر سیستم های PT رلاکسور، به طور خاص PZN-PT، در دماهای بالا ناپایدارند حتی در محیط های با تبخیر غنی از اکسید سرب. کل فرایند ممکن است یک یا چند هفته به طول انجامد. بسته به نوع کریستال، سرد شدن آهسته بعد از اینکه دمای رشد به حدود 800 تا ℃1000 می رسد، متوقف می شود که بعد از این دما، سرد کردن با سرعت سریع تا دمای محیط انجام می شود. این همچنین متداول است که نرخ سرد کردن به صورت تدریجی در مرحله ی سرد کردن آهسته، افزایش یابد. با استفاده از این رویه، نرخ رشد کریستال ثابت حاصل می شود. به هر حال، این مسئله نیازمند آگاهی داشتن در مورد دیاگرام فازی سه تایی ماده ی مورد نظر می باشد. اگر چه دیاگرام های فازی سه تایی تا به امروز موجود نیست. البته دیاگرام دوتایی مربوط به سیستم PMN-PbO و سیستم PZN-9%PT نیز به ترتیب بوسیله ی Ye و همکارانش و Dong و Ye (2001) گزارش داده شده است.
در نهایت، کریستال حاصله با استفاده از لیچینگ در اسید نیتریک غلیظ جوشان، تخلیص می شود و فلاکس اضافی با استفاده از این فرایند، خارج سازی می شود. این مسئله همچنین متداول است که باقیمانده ی فلاکس را از طریق روش مکانیکی از تک کریستال جدا کرد. به هر حال، این کار باید با دقت انجام شود زیرا کریستال ممکن است در طی این فرایند ترک بخورد مخصوصاً در هنگامی که کریستال بزرگ باشد.

اثر ترکیب شیمیایی فلاکس

PbO در دمای 886 ذوب می شود و مخلوط اکسید سرب و اکسید بور دارای نقطه ی یوتکتیک پایین تری است. این ترکیب در دمای 493 ذوب می شود. این مواد به صورت متداول در رشد تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از اکسید سرب برای رشد تک کریستال های PZN-PT و PMN-PT دارای این مزیت است که از ورود یون های خارجی به داخل کریستال جلوگیری می کند.
مذاب PbO دارای ویسکوزیته ی پایینی است و حلالیت بالایی در اکسیدهای پیچیده دارد. به هر حال، بزرگترین محدودیت های این ماده، سمی بودن، فراریت در دمای بالاتر از 1100 و تمایل به خوردگی پلاتین در دمای بالاتر از 1300 می باشد. PbO به همراه افزودنی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. افزودن این اطمینان را حاصل می کند که یک اتمسفر اکسیدی در طی کریستالیزاسیون ایجاد شود و این گزارش شده است که این افزودن موجب افزایش پایداری فاز پروسکایت در طی رشد کریستال می شود. افزودن اکسید بور نه تنها به کاهش دمای کریستالیزاسیون سیستم رلاکسور PT، کمک می کند، بلکه همچنین موجب افزایش ویسکوزیته ی محلول می شود. هر دوی این موارد به طور مؤثر از اتلاف اکسید سرب در طی فرایند رشد، جلوگیری می کند.
ترکیب فلاکس به طور قابل توجهی بر روی خروجی رشد کریستال، اثرگذار است. برای مثال، تجربه ی محققین نشان داده است که در یک سمت، افزودن به PbO موجب افزایش تشکیل فاز پیروکلر در سیستم PZN-PT می شود و به عبارت دیگر، یک مقدار مناسب از فلاکس برای حصول نتایج مناسب در رشد PMN-PT ضروری است.
علاوه بر ترکیب شیمیایی فلاکس، یک نسبت مناسب میان فلاکس و ماده ی حل شونده، در رشد تک کریستال های رلاکسور PT، ضروری است. شکل 2a یک دیاگرام فازی فرضی از سیستم (PMN-PT-PbO ( را نشان می دهد که برای نشان دادن اهمیت ترکیب فلاکس و محتوای رشد در PMN-PT آورده شده است. این شکل نشان می دهد که وقتی مقدار ناکافی از و یا عدم استفاده از این ماده، موجب می شود تا کریستال های PMN-PT رشد داده شده، همواره مقادیر قابل توجهی ناخالصی داشته باشند مخصوصاً در بخش اولیه ی رشد داده شده (شکل 2b). این مسئله می تواند به دلیل دمای کریستالیزاسیون بالایی باشد که در محلول رشد ایجاد می شود به نحوی که دمای کریستالیزاسیون بالاتر از خط سالیدوس سیستم دوتایی PMN-PT می باشد (شکل 2a). تحت شرایط گفته شده، جدایش فازی مورد انتظار است، توده ی جامد شده بنابراین، مخلوطی از یک فاز جامد با PT پایین است و در فاز مایع، درصد بالایی PT وجود دارد.
مشکل وجود ناخالصی هایی از جنس فلاکس، می تواند با افزایش مقدار فلاکس در شارژ اولیه از بین رود و بدین صورت اطمینان حاصل شود که رشد کریستال به صورت قابل توجهی در زیر خط سالیدوس مربوط به سیستم رلاکسور دوتایی PT مربوطه، انجام می شود. این مسئله به صورت شماتیک در شکل 2a نشان داده شده است. یک سطح عمودی مربوط به تک کریستال PMN-30%PT رشد داده شده تحت این شرایط، در شکل 2c نشان داده شده است. کریستال حاصله دارای ناخالصی های مربوط به فلاکس نمی باشد و تراکم کامل دارد.
نتایج بالا نشان داده شده است که ترکیب شیمیایی مناسب برای فلاکس و نسبت مولی مناسب ماده ی حل شونده به فلاکس نقش حیاتی در رشد تک کریستال های رلاکسور PT دارد. این مسئله به طور خاص برای رشد تک کریستال های رلاکسور PT با مقادیر بالای PT مانند PMN-PT بوجود می آید. همانگونه که در زیر نشان داده شده است، اگر چه نسبت نمونه وار ماده ی حل شونده به فلاکس 0.55 الی 0.45 و 0.30 الی 0.70 پیشنهاد شده است، این ممکن است ضروری باشد که نسبت را بر اساس میزان PT، تغییر دهیم تا بدین صورت نتایج خوبی بدست آوریم.

رشد تک کریستال های رلاکسور با مقادیر اندک از PT: PZN-(4-7)%PT

سیستم PZN-xPT دارای مرز فازی مرفوتروپیک در است. تک کریستال های PZN-PT که در آنها PT کمتر از 8 % مولی است، به دلیل پایداری گرمایی خوب و خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک استثنایی، بسیار مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقایسه با کریستال های PMN-PT، رشد تک کریستال های PZN-(4-7)%PT به دلیل داشتن مقادیر کمتر PT، ساده تر است.
فلاکس مورد استفاده برای رشد تک کریستال های PZN-PT ، PbO است. نسبت مولی نمونه وار مورد استفاده در این روش، بین 0.55 تا 0.45 % است. وقتی میزان فوق اشباع در محلول پایین باشد (یعنی در سرعت سرد کردن پایین)، رشد تک کریستال های PZN-PT بوسیله ی جوانه زنی در گوشه های با جهت گیری شروع می شود و به سمت گوشه های <001> و صفحات کرستالی (001) گسترش می یابد (شکل 3a). این رویه در رشد کریستال ها از محلول نمک های یونی متداول است. این پیشنهاد ارائه شده است که محلول های دارای PZN-PT-PbO دارای نسبت مولی کمتر یا مساوی 7 %، باید با یون های ساده ترکیب شوند. این مسئله در زمانی نیز مشاهده می شود که مقدار PT در محلول نزدیک به ترکیب فازی مرفوتروپیک باشد (یعنی 9 تا 10 % مولی PT).
با افزایش میزان فوق اشباع در محلول، رشد تک کریستال از طریق جوانه زنی لبه های <001> و بر روی صفحات {001} امکان پذیر می شود (شکل 3b و c).
این رشد از لحاظ طبیعی صفحه ای است تا زمانی که فوق اشباع به اندازه ی کافی بالا باشد و بدین صورت جوانه زنی قابل توجه و رشد بر روی صفحات {001} انجام می شود. وقتی این مسئله رخ دهد، صفحات رشد (001) به تدریج جایگزین صفحات کریستالی صاف و غیر کریستالوگرافی می شود. یک مثال از این مورد در شکل 3d نشان داده شده است.
وقتی ابتدای جوانه زنی است، تک کریستال PZN-PT شبیه مکعب می باشد. با ایجاد همدماها در محلول، جوانه زنی ترجیحی در یک گوشه ی معین یا خاص افزایش می یابد به نحوی که نرخ جوانه زنی گوشه ها، از نرخ گسترش بر روی صفحات کریستالی {001} پیشی می گیرد. به عنوان یک نتیجه، یک کریستال کوچک مکعبی در اشکال مختلف رشد داده می شود (شکل 4).
این واضح است که یک فرد می تواند ایزوتم ها را در محلول مهندسی کند تا بدین وسیله گوشه های [111] جوانه زنی می کند در حالی که رشد لایه ی (001) افزایش می یابد. فرایند رشد کریستال در این مورد، بواسطه ی رشد لایه ای بر روی صفحات کریستالی (001) خاص غالب خواهد شد. از آنجایی که هر لایه ی (001) نشاندهنده ی لایه ای است از ماده است که در داخل بازه ی زمانی خاص، رشد داده شده است و از این رو، میزان ماده ی حل شونده را کاهش می دهد. همچنین ویفرها به صورت موازی با صفحه ی (001) برش داده می شود و این مسئله نشاندهنده ی بهبود یکنواختی در ترکیب شیمیایی می شود. علاوه بر این، رشد کریستال باید در شرایط تعادلی یا شبه تعادلی انجام شود مثلا سرد کردن آهسته و از این رو، نرخ رشد آهسته. با استفاده از این رویه، امکان تولید ویفرهای با ترکیب شیمیایی یکنواخت مقدور می باشد.
شکل 5 دو تک کریستال PZN-PT را نشان می دهد که با استفاده از رویه ی بالا تولید شده اند. تك كریستال های PZN-PT دقیقاً بعد از رشد، شفاف هستند و رنگ آنها در گستره ی زرد كم رنگ تا زرد قهوه ای است. در این كریستال ها، سطوح (001) غالب هستند. ویفرهایی با ضخامت 0.4 میلی متر از كریستال بریده شده است و توزیع دمای كوری () در داخل آنها با استفاده از روش آرایه های الكترودی نقطه ای، بدست آمده است. شكل 6a یك توزیع دمای كوری را در داخل یك ویفر بریده شده، نشان می دهد. شكل 6b توزیع آماری بدست آمده از بیش از 140 ویفر را نشان می دهد. این اشكال نشان می دهد كه برای تك كریستال های PZN-PT با بیش از 7 % PT كه تحت شرایط بهینه رشد داده شده اند، تركیب كریستال ها بسیار یكنواخت است به نحوی كه برای بیشتر بخش های كریستال، است. این مسئله به دلیل این اتفاق می افتد كه تغییرات PT در داخل كریستال كمتر از 0.5 می باشد. نتایج بالا نشان می دهد كه تك كریستال های رلاكسور دارای مقادیر اندك PT، روش رشد بهبود یافته ی فلاكس یك روش مناسب برای تولید كریستال های بزرگ دارای هموژنیتی بالا می باشد.

رشد فلاكس تك كریستال های رلاكسور با مقادیر PT بالا: PMN-(28-34)%PT

سیستم PMN-yPT دارای مرز فازی مرفوتروپیك در مقادیر است. تك كریستال های كوچك از جنس PMN-PT (با طول لبه ی چند میلی متر) به سهولت و از طریق استفاده از فلاكس های بر پایه ی اكسید سرب، قابل تولید می باشند. آنها عموماً دارای صفحات رشد (001) واضحی هستند (شكل 7a). به هر حال، برای رشد تك كریستال های PMN-PT بزرگ، این رویه ی قابل استفاده نمی باشد كه علت این مسئله، پیچیده بودن رشد فلاكس این ماده به دلیل وجود مقادیر بالای PT می باشد. تجربه نشان داده است كه رشد تك كریستال های PMN-PT با استفاده از فلاكس خالص اكسید سرب، نتایج مناسبی مهیا نمی كند. بنابراین، به جای این فلاكس می توان از فلاكس های تركیبی (PbO+) استفاده كرد. البنه حتی اگر از این فلاكس های تركیبی نیز استفاده كنیم، باز هم نتایج رشد به طور قابل توجهی به مقادیر B_2 O_3 در داخل محلول اكسید سرب وابسته است. این مسئله در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.
اول از همه، همانگونه كه در شكل 2 مشاهده كردید، وقتی مقادیر اندكی از اكسید بور در داخل فلاكس باشد و یا از اكسید بور در فلاكس استفاده نشده باشد، ناخالصی های تشكیل شده از فاز فلاكس در داخل كریستال های PMN-PT حضور دارند (شكل 2b). با استفاده از مقادیر مناسبی از اكسید بور در داخل فلاكس PbO، دمای كریستالیزاسیون به زیر خط سالیدوس سیستم دوتایی PMN-PT می رسد. با استفاده از این رویه، مشكل وجود ناخالصی در این كریستال ها حذف می شود (شكل 2c). حتی مقدار اكسید بور نیز اثر قابل توجهی بر روی جدایش تركیبی كریستال دارد. برای مثال، اندازه گیری توزیع دمای كوری از ویفرهای بریده شده از كریستال های PMN-PT نشان داده است كه استفاده از مقادیر كمتر اكسید بور نسبت به حالت بهینه، تغییرات دمای كوری در داخل این كریستال ها قابل قبول می باشد؛ اما این تغییرات حتی در ویفرهای كنار هم نیز قابل توجه است. به عبارت دیگر، با مقادیر بالاتر اكسید بور نسبت به حالت بهینه، مشاهده ها عكس می گردد.
مقدار اكسید بور موجود در فلاكس اكسید بور، همچنین بر روی مكانیزم های رشد كریستال های PMN-PT اثرگذار است. شكل 7b و 7c مرفولوژی كلی مربوط به تك كریستال های PMN-PT بزرگ را نشان می دهد. اگر چه تمام كریستال ها دارای صفحات رشد (001) می باشند، این رشد، با یا بدون مقادیر كافی از اكسید بور، دارای مرفولوژی صفحه ای هستند (شكل 7b). یك تغییر واضح از رشد صفحه ای (001) به رشد لایه ای (001) میكروسكوپیك، مشهود است، حتی با افزودن مقادیر مولی اندكی از اكسید بور به فلاكس اكسید سرب (شكل 7c).
شكل 8 تغییر در مكانیزم جوانه زنی در طی رشد از حالت محلول را در هنگام افزایش مقدار اكسید بور نشان داده شده است كه آشكار كننده ی افزایش نرخ سرد كردن در مرحله ی آخر رشد كریستال می باشد. ظاهراً، با استفاده از مقادیر اندكی از اكسید بور، رشد لایه ی (001) از طریق جوانه زنی و رشد بلوك های كریستالی با جهت گیری (001) بر روی صفحات رشد (001)، شروع می شود (شكل 8a). به عبارت دیگر، با افزودن مقادیر كافی اكسید بور، رشد لایه ای (001) از طریق جوانه زنی گوشه های <111> و سپس گسترش به سمت لبه های <001> و صفحات (001) اتفاق می افتد (شكل 8b).
مشاهدات بالا پیشنهاد می دهد كه كمپلكس های یونی تشكیل شده در محلول دما بالای سیستم (PMN-PT-PbO (، نقش مهمی در رشد تك كریستال های PMN-PT ایفا می كند. به دلیل داشتن قرابت قابل توجه میان یون های تیتانیوم و اكسیژن در سیستم PMN-yPT، این احتمال وجود دارد كه دو یون ذكر شده، كمپلكس ها و خوشه های بزرگ مختلفی را در محلول، تشكیل دهند. رشد PMN-PT با افزودن مقادیر نامناسبی از اكسید بور، بوسیله ی رشد خوشه های كمپلكس بر پایه ی یون های تیتانیوم و اكسیژن، كنترل می شود. به دلیل داشتن نفوذپذیری پایین تر اكسیژن در محلول، محلول از كمپلكس های تیتانیوم و اكسیژن مملو می شود و این مسئله منجر به افزایش قابل توجهی در مقدار PT لایه های در حال رشد می شود.
به عبارت دیگر، با وجود پیوندهای قوی بین اكسیژن و بور و وجود تفاوت در والانس، افزودن اكسید بور كمك می كند تا طبیعت كمپلكس های بر پایه ی تیتانیوم و اكسیژن، اصلاح گردد. با اضافه شدن مقادیر مناسبی از اكسید بور، یك تغییر در حالت جوامه زنی خوشه ای بر روی صفحات (001) بعد از رشد صفحات انجام می شود و به جای آن جوانه زنی بر روی لبه های <001> و گوشه های <111> انجام می شود.
از آنجایی كه مكانیزم های جوانه زنی گوشه ها و لبه ها در رشد كریستال های یونی دارای یون های ساده، مطلوب است، افزودن اكسید بور باید به شكسته شدن كمپلكس های موجود كمك كند. بنابراین، این مسئله موجب پدید آمدن چالش در زمینه ی مكانیزم های مشاهده شده در زمینه ی رشد كریستال می شود. همچئین توجه كنید كه وقتی این رویه اتفاق می افتد، نفوذ كمپلكس های ساده تر و كوچكتر در داخل محلول به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در حقیقت این مسئله منجر به كاهش گرادیان های تركیب شیمیایی در كریستال رشد داده شده، می شود.
شكل 9 دو تك كریستال بزرگ از جنس PMN-PT را نشان می دهد كه از فلاكس بهینه ی تولید شده اند (z بزرگتر و مساوی 0.10). رنگ كریستال ها دقیقاً بعد از رشد از زرد قهوه ای تا زرد مایل به سبز، تغییر می كند. كریستال های با كیفیت بالا در زمانی كه در برابر نور به آن نگاه شود، شفاف هستند. برخلاف كریستال های PZN-PT، سطح این كریستال ها دقیقاً بعد از رشد، دارای اثرات دیواره ای در جهت <001> هستند.
نقشه ی مربوط به دمای كوری با استفاده از روش آرایه ی الكترودهای نقطه ای از ویفرهای متوالی بدست آمده است. این ویفرها در نرخ سرمایش نسبتاً آهسته رشد داده شده اند (كمتر از 0.8 درجه بر ساعت). این كار به منظور اطمینان یافتن از ایجاد شرایط تعادلی در رشد انجام شده است. شكل 10a ویفرهایی را نشان می دهد كه از یكی از این كریستال ها برش داده شده اند. شكل 10b توزیع دمای كوری را در سه ویفر انتخاب شده، نشان می دهد (یعنی ویفرهای w3، w9 و w12). این نشان داده شده است كه توزیع دمای كوری به طور مناسبی یكنواخت است.
مقادیر دمای كوری این بخش از كریستال در حد تغییر می كند كه این دما مربوط به تركیب شیمیایی PMN-32%PT می باشد. مقدار PT در این بخش یكنواخت از كریستال رشد داده شده، 2 % مولی كمتر از تغییر اولیه می باشد.
شكل 10b نیز نشان دهنده ی مقادیر دمای كوری مربوط به بخش خارجی ویفرها می باشد كه ظاهراً افزایش می یابد. این مسئله بر این دلالت دارد كه اگر چه بخش اولیه ی كریستال رشد داده شده دارای تغییرات اولیه ی یكسانی با تركیب 34 % PT است، این بخش مربوط به نرخ سرمایش حدود 2 درجه بر ساعت می باشد.
از آنجایی كه تركیب در طول یك بخش اولیه ی بزرگ از كریستال های رشد داده شده، یكنواخت است و به نرخ رشد مورد استفاده وابسته نمی باشد، رشد فلاكس كریستال های PMN-PT از فلاكس های بهینه ی PbO- به احتمال زیاد تحت شرایط تعادلی یا شبه تعادلی ایجاد می شود. این مسئله حداقل در طی مرحله ی اولیه یا میانی رشد رخ می دهد. علاوه بر این، به دلیل تفاوت میان مقادیر PT در شارژ اولیه و كریستال رشد داده شده، بوسیله ی نرخ رشد تحت تأثیر قرار نمی گیرد، این احتمال وجود دارد كه این تفاوت (یعنی 2.0 % مولی PT) در محلول باقی می ماند تا بدین صورت تعادل در واكنش تشكیل فلاكس پیچیده، حفظ گردد. این مسئله مورد است كه بر اساس آن می توان پیش بینی كرد كه كریستال رشد داده شده همواره دارای مقادیر PT كمتری نسبت به شارژ اولیه است (صرفنظر از تركیب شیمیایی اولیه ی بار و نرخ رشد). این مسئله تا وقتی حفظ می گردد كه تعادل برای واكنش فلاكس پیچیده حفظ گردد.
این فرضیه با بررسی تغییر تركیب شیمیایی شارژ از 30 % به 32 % مورد بررسی قرار می گیرد در حالی كه مقدار بهینه ی اكسید بور حفظ می گردد. كمك ما در اینجا این بود كه كریستال های PMN-28% PT و PMN-30%PT را به عنوان تركیب شیمیایی مورد نظر خود، رشد دادیم. بعد از رشد، بررسی توزیع دمای كوری مربوط به ویفرهای بریده شده از این كریستال ها، آشكار ساخت كه این كریستال ها در حقیقت دارای 28 و 30% PT بوده اند، همانگونه كه طبق برنامه این مسئله در نظر گرفته شده بود. مقادیر دمای كوری مربوط به تك كریستال های PMN-PT به طور مناسبی با مقادیر بدست آمده بوسیله ی Choi و همكارانش (1998) تطابق دارد.
نتایج بالا بر این نكته تأكید دارد كه فلاكس های واقعی برای رشد PMN-PT در حقیقت فلاكس پیچیده ای است كه از تشكیل شده اند. در اینجا δ تابعی از مقدار اكسید بور موجود در فلاكس است. علاوه بر این، این پیشنهاد شده است كه با استفاده از فلاكس پیچیده، رویه ی رشد تقریباً قائم بر شرایط رشد تعادلی یا شبه تعادلی است. این مسئله به صورت شماتیك در شكل 11 نشان داده شده است. كار كنونی نشان دهنده ی این است كه مقدار بهینه ی اكسید بور در فلاكس، موجب می شود تا كمپلكس های یونی بزرگ به یون های كوچكتر شكسته شوند و زمانی كه رشد در یك رویه ی شبه تعادلی انجام شود، تك كریستال PMN-PT می تواند بر اساس فلاكس بر پایه ی اكسید سرب، تولید گردد. به هر حال، همانگونه كه دمای رشد كاهش می یابد، نسبت بین اكسید بور به PT در محلول ظاهراً افزایش می یابد و كمپلكس های بر پایه ی یون بور ممكن است در محلول اصلاح گردد. وقتی این مسئله رخ دهد، ویسكوزیته ی محلول به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت. رشد لایه ی (001) ممكن است سپس تحت كنترل كینتیك گردد. به عنوان نتیجه، یكنواختی تركیب كریستال بواسطه ی این رویه از بین می رود و مقدار PT ظاهراً افزایش می یابد. این مسئله در شكل 11 نشان داده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.