Large piezoelectricity in NaNbO3-based lead-free ceramicsviatuning oxygen octahedral tilt

八面体 材料科学 倾斜(摄像机) 相界 四方晶系 陶瓷 相(物质) 氧气 压电 钙钛矿(结构) 结晶学 纳米技术 晶体结构 化学 复合材料 几何学 有机化学 数学
作者
Lu Wang,He Qi,Botao Gao,Ye Liu,Hui Liu,Jun Chen
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:9 (3): 1002-1009 被引量:17
标识
DOI:10.1039/d1mh01680f
摘要

The development of high-performance lead-free piezoceramics for replacing Pb-based perovskites has attracted lots of attention, and comparable room-temperature piezoresponse has been realized in (Na,K)NbO3 and BaTiO3-based ceramics with local structure heterogeneity via adjusting polymorphic phase boundary. In this work, a new method of oxygen octahedron tilt design is used in NaNbO3-based lead-free ceramics, which usually shows complex oxygen octahedron tilt information inherited from NaNbO3. The substitution of Ba(Fe0.5Nb0.5)O3 and BaTiO3 with high tolerance factor into NaNbO3 leads to a gradual elimination of anti-parallel cation displacement and anti-phase tilt along the three axes; as a result, a single tetragonal phase with P4bm space group and only in-phase tilt along c axis is achieved in 0.88NaNbO3-0.04Ba(Fe0.5Nb0.5)O3-0.08BaTiO3 ceramic. Accompanying the decreased oxygen octahedral tilt degree, a drastically improved d33 up to 367 pC N-1 (over ten times that of NaNbO3 ceramic) is obtained, reaching a record high in NaNbO3-based lead-free ceramics. Together with temperature insensitive piezoresponse originating from thermally stable oxygen octahedral tilt structure, the studied NaNbO3-based materials show large potential for replacing Pb-based ceramics in some electronic devices. The oxygen octahedron tilt engineering would be used for designing more high-performance lead-free ceramics with high piezoresponse and excellent thermal stability simultaneously.
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