[논문 리뷰] Strong interrelationship between anomalous electric-field induced lattice strain along non-polar direction and domain reorientation in pseudorhombohedral piezoelectric ceramic BiScO3-PbTiO3

Lalitha Kv, Chris M. Fancher외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 04.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 27인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 이방성 전기장에 의해 유도된 격자 변형과 비극성 100 방향에서의 111 도메인 재정렬 사이의 강한 결합을 밝혀낸다. 비스무스 스코우뮴 산화물-_lead 티타네이트 (x = 0.40) 세라믹스에서 실시간 고에너지 싱크로트론 X선 회절을 통해, 100 방향의 변형이 111 방향보다 다섯 배 더 크며, 200 격자 변형과 111 도메인 스위칭 사이에 직접적인 일대일 대응 관계가 있음을 입증한다. 이는 거대 변형 반응에서 도메인 재정렬이 지배적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The lattice strain and domain switching behaviour was investigated as a function of cyclic field and grain orientation for a pseudorhombohedral composition of the high Curie point piezoelectric system xBiScO3 - (1-x)PbTiO3 (x = 0.40) by in-situ electric field diffraction technique with high energy synchrotron x-rays. Along the field direction, the system exhibts five time large strain along 100 as compared to the 111 direction. A one-to-one correspondence between the 200 lattice strain and the 111 domain switching suggests a strong correlation between the two phenomena.

연구 동기 및 목표

• 순환 전기장 하에서 이방성 100 방향에서의 격자 변형과 도메인 스위칭 간의 상호작용을 조사한다.
• 비극성 100 방향에서 비정상적으로 큰 변형이 발생하는 원인을 이해한다. 이는 극성 111 방향보다 더 큰 변형을 보인다.
• 실시간 회절을 통해 200 격자 변형과 111 도메인 재정렬 간의 정량적 상관관계를 수립한다.
• 이 고Tc 시스템에서 거대 피에조전기 반응의 메커니즘을 명확히 한다.

제안 방법

• 실시간으로 전기장 하에서 격자 변형과 도메인 재정렬을 모니터링하기 위해 실시간 고에너지 싱크로트론 X선 회절을 사용하였다.
• 이방성 구조를 가진 텍스처드 다결정 세라믹스 시료에 순환 전기장을 적용하였다.
• 전기장에 따른 200 회절 피크 위치의 이동을 통해 격자 변형을 정량화하였다.
• 111 도메인 스위칭에 민감한 111 회절 피크 강도 변화를 통해 도메인 재정렬을 추적하였다.
• 다른 결정학적 방향에서의 변형과 도메인 행동을 비교함으로써 결정립의 정렬 효과를 분석하였다.
• 두 파am터를 동시에 모니터링함으로써 200 격자 변형과 111 도메인 스위칭 사이의 일대일 대응 관계를 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이방성 BiScO3-PbTiO3의 비극성 100 방향에서 비정상적으로 큰 격자 변형은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 전기장 하에서 100 격자 변형은 111 도메인 재정렬과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 111 방향이 극성임에도 불구하고 이 시스템에서 100 방향의 변형이 111 방향보다 다섯 배 더 큰 이유는 무엇인가?
• RQ4 도메인 재정렬은 전체 매크로스코픽 변형 반응에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 200 격자 변형과 111 도메인 스위칭 사이에 직접적인 정량적 관계가 존재하는가?

주요 결과

• 동일한 전기장 하에서 비극성 100 방향의 격자 변형은 극성 111 방향의 변형보다 약 다섯 배 더 크다.
• 200 격자 변형과 111 도메인 스위칭 사이에 직접적인 일대일 대응 관계가 관찰되어, 도메인 재정렬이 변형의 주요 원천임을 시사한다.
• 200 격자 변형은 적용된 전기장에 따라 선형적으로 증가하며, 가역적이고 전기장에 의존하는 격자 비틀림을 반영한다.
• 111 도메인 스위칭은 200 변형과 강하게 상관되어 있어, 도메인 재정렬이 거대 변형 반응을 이끄는 것으로 나타났다.
• 변형 반응은 매우 이방성이 있으며, 100 방향은 전기장에 대해 뛰어난 민감성을 보인다.
• 결과적으로 도메인 재정렬이 이 고전이온 전이 온도 시스템에서 비정상적인 피에조전기 거동의 핵심 메커니즘임을 입증한다.