Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự điều khiển chuyển động tường miền 90° trong gốm piezoelectric BaTiO3 được điều chỉnh bằng các ion nhận gần ranh giới hạt
Tóm tắt
Chuyển động không thể đảo ngược của các tường miền điện áp ferroelectric không 180° là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến mức tổn thất theo chu kỳ tăng trong các gốm piezoelectric tại nhiệt độ cao. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế các gốm piezoelectric được sửa đổi với các ion nhận được phân bố gần ranh giới hạt nhằm mục đích ngăn chặn chuyển động tường miền không thể đảo ngược ở nhiệt độ cao mà không làm giảm đóng góp từ chuyển động tường miền có thể đảo ngược. Các hạt BaTiO3 (BT) không pha tạp đã được phủ bằng BT pha tạp Mn thông qua phương pháp kết tủa đồng thời và sau đó được nung để tạo thành một gốm BT được sửa đổi bằng Mn. Các đặc trưng cấu trúc và điện môi cho thấy rằng các ion Mn trong gốm thu được được phân bố gần ranh giới hạt. Phép đo biến dạng do điện trường một chiều gây ra đã được thực hiện cho các gốm BT sửa đổi bằng Mn và không sửa đổi (tinh khiết) ở nhiệt độ lên tới 120 °C (chỉ thấp hơn nhiệt độ Currie) để thảo luận về hành vi theo chu kỳ trong phản ứng piezoelectric của chúng. Kết quả cho thấy hệ số piezoelectric hiệu dụng d33* của gốm BT sửa đổi bằng Mn tương tự như gốm BT không sửa đổi. Histeresis của gốm BT sửa đổi bằng Mn giữ dưới 40% trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ trong khi đó của gốm BT không sửa đổi tăng lên đáng kể ở nhiệt độ cao trên 100 °C. Các kết quả trong nghiên cứu này chứng minh rằng các ion Mn được phân bố hiệu quả giữ chặt các tường miền để ngăn chặn chuyển động không thể đảo ngược của chúng ở nhiệt độ cao, trong khi chuyển động có thể đảo ngược trong các hạt vẫn có thể xảy ra.
Từ khóa
#BaTiO3 #gốm piezoelectric #ion nhận #chuyển động tường miền #năng lượng điện #hiệu suất piezoelectricTài liệu tham khảo
Damjanovic D, Demartin M (1997) Contribution of the irreversible displacement of domain walls to the piezoelectric effect in barium titanate and lead zirconate titanate ceramics. J Phys Condens Matter 9:4943–4953. https://doi.org/10.1088/0953-8984/9/23/018
Tsurumi T, Sasaki T, Kakemoto H, Harigai T, Wada S (2004) Domain contribution to direct and converse piezoelectric effects of PZT ceramics. Jpn J Appl Phys 43:7618–7622. https://doi.org/10.1143/JJAP.43.7618
Bassiri-Gharb N, Fujii I, Hong E, Trolier-Mckinstry S, Taylor DV, Damjanovic D (2007) Domain wall contributions to the properties of piezoelectric thin films. J Electroceram 19:47–65. https://doi.org/10.1007/s10832-007-9001-1
Pramanick A, Damjanovic D, Daniels JE, Nino JC, Jones JL (2011) Origins of electro-mechanical coupling in polycrystalline ferroelectrics during subcoercive electrical loading. J Am Ceram Soc 94:293–309. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.04240.x
Damjanovic D (1998) Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics. Rep Prog Phys 61:1267–1324. https://doi.org/10.1088/0034-4885/61/9/002
Damjanovic D, Demartin M, Shulman HS, Testorf M, Setter N (1996) Instabilities in the piezoelectric properties of ferroelectric ceramics. Sens Actuators A 53:353–360. https://doi.org/10.1016/0924-4247(96)80160-9
Hall DA (2001) Nonlinearity in piezoelectric ceramics. J Mater Sci 36:4575–4601. https://doi.org/10.1023/A:1017959111402
Zheng J, Takahashi S, Yoshikawa S, Uchino K, de Vries JWC (1996) Heat generation in multilayer piezoelectric actuators. J Am Ceram Soc 79:3193–3198. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1996.tb08095.x
Senousy MS, Rajapakse RKND, Mumford D, Gadala MS (2009) Self-heat generation in piezoelectric stack actuators used in fuel injectors. Smart Mater Struct 18:045008. https://doi.org/10.1088/0964-1726/18/4/045008
Randall CA, Kelnberger A, Yang GY, Eitel RE, Shrout TR (2005) High strain piezoelectric multilayer actuators—a material science and engineering challenge. J Electroceram 14:177–191. https://doi.org/10.1007/s10832-005-0956-5
Eitel RE, Randall CA, Shrout TR, Park SE (2002) Preparation and characterization of high temperature perovskite ferroelectrics in the solid-solution (1 − x)BiScO3–xPbTiO3. Jpn J Appl Phys 41:2099–2104. https://doi.org/10.1143/JJAP.41.2099
Algueró M, Ramos P, Jiménez R, Amorín H, Vila E, Castro A (2012) High temperature piezoelectric BiScO3–PbTiO3 synthesized by mechanochemical methods. Acta Mater 60:1174–1183. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.10.050
Haertling GH (1999) Ferroelectric ceramics: history and technology. J Am Ceram Soc 82:797–818. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1999.tb01840.x
Robels U, Arlt G (1993) Domain wall clamping in ferroelectrics by orientation of defects. J Appl Phys 73:3454–3460. https://doi.org/10.1063/1.352948
Yang TJ, Gopalan V, Swart PJ, Mohideen U (1999) Direct observation of pinning and bowing of a single ferroelectric domain wall. Phys Rev Lett 82:4106–4109. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.4106
Yoon D, Lee B, Badheka P, Wang X (2003) Barium ion leaching from barium titanate powder in water. J Mater Sci 4:165–169. https://doi.org/10.1023/A:1022306024907
Hoshina T, Takizawa K, Li J, Kasama T, Kakemoto H, Tsurumi T (2008) Domain size effect on dielectric properties of barium titanate ceramics. Jpn J Appl Phys 47:7607–7611. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.7607
Chen IW, Wang XH (2000) Sintering dense nanocrystalline ceramics without final-stage grain growth. Nature 404:168–171. https://doi.org/10.1038/35004548
Zhao X, Chen W, Zhang L, Gao J, Zhong L (2015) Effect of fabrication routes on the microstructure, the dielectric and ferroelectric properties of the Mn-doped BaTiO3 ceramics. Appl Phys A 118:931–938. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8816-2
Arlt G (1990) Twinning in ferroelectric and ferroelastic ceramics: stress relief. J Mater Sci 25:2655–2666. https://doi.org/10.1007/BF00584864
Hoshina T (2013) Size effect of barium titanate: fine particles and ceramics. J Ceram Soc Jpn 121:156–161. https://doi.org/10.2109/jcersj2.121.156
Huan Y, Wang X, Fang J, Li L (2014) Grain size effect on piezoelectric and ferroelectric properties of BaTiO3 ceramics. J Eur Ceram Soc 34:1445–1448. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.030
Kirianov A, Ozaki N, Ohsato H, Kohzu N, Kishi H (2001) Studies on the solid solution of Mn in BaTiO3. Jpn J Appl Phys 40:5619–5623. https://doi.org/10.1143/JJAP.40.5619
Ihrig H (1978) The phase stability of BaTiO3 as a function of doped 3d elements: an experimental study. J Phys C Solid State Phys 11:819–827. https://doi.org/10.1088/0022-3719/11/4/026
Uchino K, Nomura S, Cross LE, Newnham RE, Jang SJ (1981) Electrostrictive effect in perovskites and its transducer applications. J Mater Sci 16:569–578. https://doi.org/10.1007/BF00552193
Tang H, Zhang S, Feng Y, Li F, Shrout TR (2013) Piezoelectric property and strain behavior of Pb(Yb0.5Nb0.5)O3–PbHfO3–PbTiO3 polycrystalline ceramics. J Am Ceram Soc 96:2857–2863. https://doi.org/10.1111/jace.12389