Evolution of mesoscopic domain structure and macroscopic properties in lead-free Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3 ferroelectric ceramics

压电响应力显微镜 材料科学 铁电性 相界 压电 介观物理学 凝聚态物理 四方晶系 相变 陶瓷 铁电陶瓷 相(物质) 晶体结构 结晶学 电介质 复合材料 光电子学 物理 化学 量子力学
作者
Jinyan Zhao,Nan Zhang,Yi Quan,Gang Niu,Wei Ren,Zhe Wang,Kun Zheng,Yulong Zhao,Zuo‐Guang Ye
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:129 (8) 被引量:37
标识
DOI:10.1063/5.0035466
摘要

Bismuth sodium titanate and related compounds are promising lead-free ferroelectric materials potentially useful in a wide range of piezoelectric applications. The domain structure plays an important role in determining the piezoelectric and ferroelectric properties and thereby the performance of electromechanical transducers. In this work, piezoresponse force microscopy (PFM) is used to gain insights into the mesoscopic-scale domain structure and its evolution under electric field in the (1−x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3 (BNT-BT) piezoceramics with compositions varying from x = 0 to x = 0.08. A phase transition from the rhombohedral phase to the tetragonal phase is observed with increasing BT contents. A relationship is established between the relaxor behavior and the domain structures imaged by PFM, i.e., short-range polar regions without visible domains in relaxor ceramics of pure BNT, while long-range ordered polar states with clear domains in ferroelectric ceramics with the addition of BT content. Distinct micro-domains are observed in the ceramics with compositions close to the morphotropic phase boundary (MPB), but the domain size drops to nanometers in the MPB composition with an increasing domain wall density. An electric field can induce the transformation from the relaxor behavior to a ferroelectric state, accompanied by an increase in domain sizes and a rearrangement/reorientation of the polar domains. This study of domain structure and its evolution in BNT-BT provides a better understanding of the relationship between the crystal structure, mesoscopic-scale domains, and macroscopic properties in these important lead-free piezoelectric ceramics.
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