【摘要】：KTP晶體是一種居里溫度高、熱穩(wěn)定性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的壓電晶體材料,有望在高溫高壓極端環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。但由于高溫環(huán)境壓電參量測(cè)量實(shí)驗(yàn)難度較大,而理論研究及第一性原理計(jì)算大多僅適用于0 K絕對(duì)溫度下的結(jié)構(gòu)及力學(xué)量的預(yù)測(cè),因此從常溫到高溫環(huán)境下KTP晶體壓電性能的實(shí)驗(yàn)及理論研究一直沒(méi)有大的進(jìn)展。本論文采用密度泛函理論和準(zhǔn)諧近似方法,較系統(tǒng)地計(jì)算了KTP晶體在不同溫度條件下的晶格結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù);采用聲表面波理論計(jì)算了該晶體在不同溫度條件下的聲表面波速度、機(jī)電耦合系數(shù)以及能流角等參量,分析討論了鐵摻雜對(duì)KTP壓電性能的影響;最后設(shè)計(jì)了一種可用于高溫環(huán)境條件下聲表面波濾波器。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:第一,對(duì)KTP晶體進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何優(yōu)化,計(jì)算了該晶體基態(tài)的能帶結(jié)構(gòu),在0 K時(shí)KTP晶體的禁帶寬度為3.206 eV。采用準(zhǔn)諧振近似理論計(jì)算了800℃溫度時(shí)的禁帶寬度為3.207 eV,發(fā)現(xiàn)禁帶寬度隨溫度變化無(wú)顯著變化。第二,通過(guò)準(zhǔn)諧振近似和密度泛函理論相結(jié)合的方法研究計(jì)算了KTP晶體在溫度為0 K、273 K、673 K、1073 K下的晶格常數(shù)及彈性常數(shù),發(fā)現(xiàn)KTP晶體在晶軸a、b方向膨脹較大,在c方向膨脹較小;彈性常數(shù)在0 K到1073 K溫度范圍內(nèi)變化量約為12%以下。第三,運(yùn)用聲表面波(SAW)理論結(jié)合不同溫度的材料常數(shù),計(jì)算了Z切型KTP晶體的SAW速度,分析研究了20℃和800℃下的聲表面波性質(zhì),我們發(fā)現(xiàn)KTP晶體機(jī)電耦合系數(shù)k~2在傳播角為90~o時(shí)最大,達(dá)到了0.72%,溫度對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)的影響較小。第四,設(shè)計(jì)了一種以KTP晶體為基片的單電極濾波器,并模擬了其濾波性能,結(jié)果表明當(dāng)溫度為25℃時(shí),響應(yīng)中心頻率為398 MHz,插入損耗為4.8 dB;當(dāng)溫度為800℃時(shí),其中心響應(yīng)頻率為393 MHz,插入損耗為5.8 dB,具有中心頻率高、溫度漂移小等優(yōu)勢(shì)。
【圖文】：

在聲表面波進(jìn)行傳播的途徑中，可以隨意件的制造可采用與集成電路相似的光刻技術(shù)理論研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，與此同時(shí)，采用有高可靠性、體積小型化[1]等優(yōu)良性能，已廣泛線、卷積器、濾波器和振蕩器以及諧振器廣-7]。壓電材料，顧名思義就是這類(lèi)材料具有壓種是正壓電效應(yīng)，，另一種是逆壓電效應(yīng)。正料上時(shí)能夠產(chǎn)生電荷的效應(yīng)，而逆壓電效應(yīng)材料發(fā)生形變。壓電材料通常具備優(yōu)良的聲光能，目前常用的壓電材料主要有石英、鈮酸ZT 陶瓷和 ZnO 薄膜等[8]。聲表面波器件通常和反射耦合器等構(gòu)成，輸入端的 IDT（輸入換壓電基片以聲表面波（SAW）形式傳播，再將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示

圖 1.2 Z 切 KTP 晶體聲表面波速度（a）和機(jī)電耦合系數(shù)(b)Fig. 1.2 Surface wave velocity (a) and electromechanical coupling coefficient (b) of Z cutKTP crystal1.2.2 高溫條件下晶體物理參量的計(jì)算方法運(yùn)用量子力學(xué)理論可以從微觀分子角度對(duì)材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算稱(chēng)之為第一性原理（First Principle）計(jì)算，也可以叫做從頭計(jì)算（ab initio）。量子力學(xué)可以將宏觀物質(zhì)的物理性質(zhì)以微觀形式進(jìn)行闡述或者計(jì)算，因此它是一種在微觀水平解釋物質(zhì)的內(nèi)部規(guī)律，揭示其本質(zhì)的一種理論。這也是為什么它被稱(chēng)之為從頭計(jì)算。從 20 世紀(jì)初，理論研究者們開(kāi)始廣泛認(rèn)可第一性原理并提出了一系列的理論假設(shè)，諸如普朗克的量子假說(shuō)、盧瑟福建立起來(lái)的原子量子軌道理論、愛(ài)因斯坦的光量子概念的引進(jìn)、波粒二象性等一系列的基礎(chǔ)理論[35,36]。1925 年，海森堡提出矩陣力學(xué)并與玻恩和約爾丹完善了矩陣力學(xué)，通過(guò)觀察原子輻射出的光的強(qiáng)度、頻率和偏振化等提出了電子在原子中的軌道模型[37]；1926
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O735

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本文編號(hào)：2664290