Grain Size Effects in Mn-Modified 0.67BiFeO3–0.33BaTiO3 Ceramics

材料科学 居里温度 粒度 相界 铁电性 电介质 压电系数 压电 陶瓷 极化 晶界 放电等离子烧结 复合材料 相(物质) 凝聚态物理 微观结构 光电子学 铁磁性 物理 有机化学 化学
作者
Yajun Yue,Xinzhao Xu,Man Zhang,Zhongna Yan,Vladimı́r Koval,Richard M. Whiteley,Dou Zhang,Matteo Palma,Isaac Abrahams,Haixue Yan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (48): 57548-57559 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsami.1c16083
摘要

Grain size can have significant effects on the properties of electroceramics for dielectric, piezoelectric, and ferroelectric applications. Here, we systematically investigate the effect of grain size on the structure and properties of Mn-modified 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3 ceramics, an important lead-free piezoelectric ceramic that exhibits both a high piezoelectric coefficient and a high Curie point. Ceramics with average grain sizes ranging from 0.46 to 6.85 μm were prepared using conventional and spark plasma sintering. It was found that the morphotropic phase boundary compositions are composed of two polar structures, rhombohedral and tetragonal, with DC poling inducing an increase in the fraction of the rhombohedral phase. All ceramics show relaxor behavior and their freezing temperature moves to higher temperatures with increasing grain size, although their Burns temperature is independent of grain size. In fine-grained ceramics, which show pronounced relaxor behavior, significant grain size dependency is seen in dielectric, piezoelectric, and ferroelectric properties, which is attributed to the presence of single ferroelectric domains and high concentrations of polar nanoregions. In coarse-grained ceramics, a critical grain size of 2.83 μm yields the highest dielectric permittivity at room temperature, with the piezoelectric coefficient plateauing at this grain size, which can be attributed to the contribution of both polar nanoregions and high domain wall density.
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