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

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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