Composition-induced antiferroelectric phase and giant strain in lead-free(Nay,Biz)Ti

铁电性 反铁电性 相界 材料科学 凝聚态物理 电致伸缩 相图 相(物质) 物理 结晶学 化学 电介质 量子力学 光电子学 压电 复合材料
作者
Yiping Guo,Mingyuan Gu,Haosu Luo,Yun Liu,Ray L. Withers
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:83 (5) 被引量:146
标识
DOI:10.1103/physrevb.83.054118
摘要

$({\mathrm{Na}}_{y},{\mathrm{Bi}}_{z}){\mathrm{Ti}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{O}}_{3(1\ensuremath{-}x)}\ensuremath{-}x{\mathrm{BaTiO}}_{3}$ ceramics with an excess in Bi${}^{3+}$ and/or a deficiency in Na${}^{+}$ were prepared and investigated. It is found that an antiferroelectric phase can be induced through a modulation of the mole ratio of Na${}^{+}$ and Bi${}^{3+}$. A phase boundary between ferroelectric and antiferroelectric phases can be observed at ambient temperature. A modulated phase, which is the origin of relaxor antiferroelectric behavior, should be attributed to a compositional modulation. The antiferroelectric phase can be induced to the ferroelectric phase by an applied electric field. The stability of the induced ferroelectric phase strongly depends on the mole ratio of Na${}^{+}$ and Bi${}^{3+}$. A recoverable giant strain of 0.48% comparable to PbZrO${}_{3}$-based antiferroelectrics as well as electrostrictive coefficients (0.026 ${C}^{4} {\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}2}$) much higher than lead-based relaxor ferroelectrics with low-temperature dependence was achieved in $({\mathrm{Na}}_{y},{\mathrm{Bi}}_{z}){\mathrm{Ti}}_{1\ensuremath{-}x}{\mathrm{O}}_{3(1\ensuremath{-}x)}\ensuremath{-}x{\mathrm{BaTiO}}_{3}$ antiferroelectrics. Our results show there is a high possibility that the novel lead-free antiferroelectrics will replace the PbZrO${}_{3}$-based ones.

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