Quenching-induced polar state transformation and enhanced electromechanical response in BNT-Mn single crystals

压电响应力显微镜 材料科学 铁电性 压电 极地的 凝聚态物理 压电系数 热稳定性 猝灭(荧光) 热的 热膨胀 相变 钙钛矿(结构) 液氮 失真(音乐) 化学物理 光电子学
作者
Changpeng Guan,Yongxing Wei,Jialin Niu,Weilin Yang,PeiJiang LI,Haotian Zhou,Yifang Cheng,Changqing Jin,Zengzhe Xi,Zengyun Jian,Zhonghua Dai,Zhiqiang Yang,R. G. Burkovsky,Li Jin
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:128 (1)
标识
DOI:10.1063/5.0311609
摘要

Ultra-fast cooling at high temperatures provides a promising strategy for enhancing the thermal stability of (Bi1/2Na1/2)TiO3-based (BNT) relaxor ferroelectrics, yet its role in tuning the polar state has been largely overlooked. In this work, we demonstrate that liquid nitrogen quenching (LNQ) can induce a transition from a predominantly ergodic relaxor (ER) to a long-range ferroelectric (FE) state in 0.5 mol. % Mn-modified BNT single crystals. The LNQ-treated crystals exhibit a piezoelectric coefficient of 172 pC/N and a depolarization temperature of 170 °C, representing enhancements of 7 times and 95%, over the as-grown (AG) crystals. This synergistic improvement in piezoelectric performance and thermal stability is associated with enhanced rhombohedral distortion (rhombohedral angle α: 89.857° for AG vs 89.701° for LNQ) and the ER-to-FE transition driven by LNQ. Local piezoelectric response and the thermal evolution of in situ piezoresponse force microscopy domain structure as well as electrical properties further confirm the improved ferroelectricity and thermal stability induced by liquid nitrogen quenching. These findings provide valuable insight into the tunability of polar states in BNT-based materials.

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