Atomic-scale origin of ultrahigh piezoelectricity in samarium-doped PMN-PT ceramics

钐 价(化学) 掺杂剂 压电 材料科学 离子半径 兴奋剂 陶瓷 原子单位 凝聚态物理 离子 结晶学 纳米技术 物理 化学 光电子学 复合材料 核物理学 量子力学
作者
Chunchun Li,Bin Xu,Dabin Lin,Shujun Zhang,L. Bellaïche,Thomas R. Shrout,Fei Li
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:101 (14) 被引量:126
标识
DOI:10.1103/physrevb.101.140102
摘要

Designing high-performance piezoelectric materials based on atomic-scale calculations is highly desired in recent years, following the understanding of the structure-property relationship of state-of-the-art piezoelectric materials. Previous mesoscale simulations showed that local structural heterogeneity plays an important role in the piezoelectric property of ferroelectrics; that is, larger structural heterogeneity leads to higher piezoelectricity. In this Rapid Communication, by combining first-principles calculations and experimental characterizations, we explored the atomic-scale origin of the high piezoelectricity for samarium-doped $\mathrm{Pb}(\mathrm{M}{\mathrm{g}}_{1/3}\mathrm{N}{\mathrm{b}}_{2/3}){\mathrm{O}}_{3}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{PbTi}{\mathrm{O}}_{3}$ (PMN-PT) ceramics, which possesses the highest piezoelectric ${d}_{33}$ of $\ensuremath{\sim}1500\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{pC}\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}{\mathrm{N}}^{\ensuremath{-}1}$ among all known piezoelectric ceramics. The impacts of various dopants on local structure and piezoelectric properties of PMN-PT ceramics were investigated in terms of the effective ionic radius and cation valence. Our results show that A-site dopants with a valence of 3+ are more effective to produce local structural heterogeneity in PMN-PT when compared with the A-site dopants with a valence of 2+, and a smaller dopant size leads to a larger variation of local structure. According to this study, the outstanding piezoelectricity in Sm-doped PMN-PT ceramics is attributed to the fact that $\mathrm{S}{\mathrm{m}}^{3+}$ is the smallest ions that can entirely go to the A site of PMN-PT rather than the B site. The present work may benefit the design of high-performance piezoelectric materials based on the concept of local structural engineering.
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