Hardening of electromechanical properties in piezoceramics using a composite approach

材料科学 压电 极化 复合数 铁电性 复合材料 凝聚态物理 硬化(计算) 电介质 介电常数 陶瓷 光电子学 物理 图层(电子)
作者
K. V. Lalitha,Lukas M. Riemer,Jurij Koruza,Jürgen Rödel
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:111 (2) 被引量:65
标识
DOI:10.1063/1.4986911
摘要

Piezoelectric applications such as ultrasonic motors, transformers and therapeutic ultrasonics demand high power generation with low losses, which is facilitated by “hard” ferroelectrics. Hardening of piezoelectric properties, characterized by high mechanical quality factor (Qm), is usually achieved by doping with lower valence elements, thereby tailoring the domain wall dynamics. In the present study, we demonstrate a hardening mechanism by developing composites of 0.94(Na1/2Bi1/2)TiO3-0.06BaTiO3 (NBT-6BT) with ZnO inclusions, as an alternative to chemical modifications. A decrease in the saturation polarization and total strain, higher internal bias fields, lower hysteretic losses and a two-fold increase in Qm are observed in comparison to NBT-6BT. The composite with 0.1 mole ratio of ZnO exhibits the highest Qm of 320 with d33 = 125 pC/N and Kp = 0.29. A one-to-one correspondence between the increase in Qm and the decrease in the domain wall mobility is established from the ac field dependence of permittivity, in the framework of the Rayleigh law. A further increase in ZnO content beyond a mole ratio of 0.1 reduces Qm, but retains it at a higher level, as compared to NBT-6BT. The results are explained based on the poling-induced strain incompatibility between the matrix and the hard ZnO phase. This composite approach is therefore considered a generic hardening concept and can be extended to other ferroelectric systems.
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