[論文レビュー] Origin of high piezoelectricity at the morphotropic phase boundary (MPB) in (Pb0.94Sr0.06)(ZrxTi1-x)O3

Ravindra Singh Solanki, S. K. Mishra+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Acoustic Wave Resonator Technologies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、x = 0.530における(Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃（PSZT）の多形相境界（MPB）におけるピーク圧電応答の主な原因が、弾性率の緩みであると特定した。放射線源を用いたX線回折、誘電率、圧電率、音速度の測定により、弾性率の緩みが大きなひずみと分極を可能にすることを示し、鉛フリー圧電材料の設計に新たな原則を提示する。

ABSTRACT

In this work, we address the issue of peaking of piezoelectric response at a particular composition in the morphotropic phase boundary (MPB) region of (Pb0.940Sr0.06)(ZrxTi1-x)O3 (PSZT) piezoelectric ceramics. We present results of synchrotron x-ray powder diffraction, dielectric, piezoelectric and sound velocity studies to critically examine the applicability of various models for the peaking of physical properties. It is shown that the models based on the concepts of phase coexistence, polarization rotation due to monoclinic structure, tricritical point and temperature dependent softening of elastic modulus may enhance the piezoelectric response in the MPB region in general but cannot explain its peaking at a specific composition. Our results reveal that the high value of piezoelectric response for the MPB compositions in PSZT at x=0.530 is due to the softening of the elastic modulus as a function of composition. The softening of elastic modulus facilitates the generation of large piezoelectric strain and polarization on approaching the MPB composition of x=0.530. This new finding based on the softening of elastic modulus may pave the way forward for discovering/designing new lead-free environmentally friendly piezoelectric materials and revolutionize the field of piezoelectric ceramics.

研究の動機と目的

• PSZTセラミックスの多形相境界（MPB）領域における特定の組成で圧電応答がピークを示す理由という長年の疑問を解消すること。
• 相共存、分極回転、三臨界点、弾性率の緩みといった既存のモデルが、圧電応答の組成特異的ピークを説明できるかを厳密に評価すること。
• （Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃におけるx = 0.530で最大の圧電応答を示す主な物理的メカニズムを特定すること。
• 弾性率の緩みに基づく、環境に優しい鉛フリー圧電材料の開発のための新しい設計基準を提示すること。

提案手法

• MPB組成範囲における結晶構造の進化を分析するため、シンクロトロンX線回折を実施した。
• MPB近傍での組成依存応答を定量するため、誘電率および圧電率測定を実施した。
• 組成依存の弾性率を抽出し、その緩みの挙動を評価するため、音速度を組成の関数として測定した。
• x = 0.530における観測された圧電応答のピークと測定された弾性率の緩みを関連づけた。
• 実験データに基づいて、競合する理論モデル（相共存、分極回転、三臨界点、弾性率の緩み）を評価した。
• 組成依存の弾性率の傾向を用いて、それが大きなひずみと分極を可能にする役割を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSZTセラミックスにおけるx = 0.530で圧電応答がピークを示す背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ2 相共存、分極回転、三臨界点、弾性率の緩みといった既存のモデルが、圧電応答の組成特異的最大値をどの程度説明できるか？
• RQ3 MPB領域を横断する組成に応じた弾性率の変化はどのように進行し、それが圧電性の向上に果たす役割は何か？
• RQ4 弾性率の緩みだけが観察されたピーク圧電応答を説明できるのか、それ以外の要因も必要か？
• RQ5 観察された弾性率の緩みのメカニズムは、鉛フリー圧電材料の開発を促進するために一般化可能か？

主な発見

• PSZTにおけるx = 0.530でのピーク圧電応答は、主に組成依存の弾性率の緩みに起因している。
• 弾性率の緩みにより、外部電場下での格子ひずみのエネルギー障壁が低下し、大きな圧電ひずみと分極が可能になる。
• 相共存、分極回転、三臨界点効果に基づくモデルは、特定の組成で急激にピークを示す現象を説明できない。
• 温度依存の弾性率の緩みだけでは、組成特異的ピーク応答を説明できない。
• 観察された弾性率の緩みはx = 0.530で最も顕著であり、これは最大圧電応答と一致する。
• このメカニズムは、高性能で鉛フリーの圧電材料を開発するための、新たな一般化可能な設計原則を提供する。