[论文解读] Composition induced diffused to relaxor ferroelectric phase transition in lead-free (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3 (0 to x to 0.40) ferroelectric ceramics

Supratim Mitra, Ajit R. Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 3

一句话总结

本研究通过介电谱学方法，研究了无铅 (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3陶瓷（x = 0 至 0.40）中的组成驱动相变。结果表明，在 x ≥ 0.225 时，相变行为由弥散铁电相变（FE-DPT）转变为弛豫铁电行为，归因于具有不同弛豫动力学特性的极性纳米区（PNRs）演化，其介电最大值的频率依赖性受Vogel-Fulcher定律支配。

ABSTRACT

(1-x)Li0.12Na0.88NbO3-xBaTiO3 (0 to x to 0.40) ferroelectric ceramics were prepared using conventional ceramics route and their phase transitional behavior is investigated by using dielectric spectroscopy. The temperature-dependent dielectric permittivity epsilon'(T) shows a diffused ferroelectric-paraelectric transition for all compositions. An acceptable and competent characterizing parameter (D) of diffused phase transition (DPT), defined by Uchino et al. [J Am Ceram Soc 2010;93:4011], was measured and validated. Interestingly, a crossover from diffused ferroelectric phase transition (FE-DPT) to relaxor ferroelectric (RFE) transition is found for the composition x greater than equal to 0.225. The FE-DPT is characterized by a frequency-independent temperature of dielectric maxima (Tm), while a RFE is found to have frequency-dependent Tm satisfying Vogel-Fulcher relation. The composition induced crossover is attributed to the dynamics of different PNR size and relaxation times that varies with different BaTiO3 content (x) leading to the appearance of a FE-DPT or RFE.

研究动机与目标

• 理解无铅 (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3陶瓷在不同 BaTiO3 含量下的相变行为。
• 确定铁电相变从弥散特征向弛豫特征转变的组成阈值。
• 将介电响应与极性纳米区（PNRs）的动力学及其弛豫时间相关联。
• 验证Uchino弥散参数（D）作为表征相变类型可靠指标的有效性。
• 确定介电最大值（Tm）的频率依赖性是否符合Vogel-Fulcher关系，从而指示弛豫行为。

提出的方法

• 采用传统固相陶瓷工艺合成 x = 0 至 0.40 的 (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3 陶瓷。
• 进行温度依赖的介电常数（ε′(T)）测量，以分析相变特性。
• 利用Uchino等人提出的公式计算弥散参数 D，以量化相变的弥散程度。
• 分析介电常数最大值（Tm）的频率依赖性，以区分 FE-DPT（频率无关）与 RFE（频率相关）行为。
• 将频率依赖的 Tm 数据拟合至 Vogel-Fulcher 方程，以确认弛豫铁电行为。
• 将极性纳米区（PNRs）尺寸及弛豫动力学随 BaTiO3 含量（x）增加的变化与相变机制相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种 BaTiO3 组成（x）下，铁电相变从弥散特征转变为弛豫特征？
• RQ2 随着 x 增加，介电常数最大值（Tm）的频率依赖性如何演变？其是否符合 Vogel-Fulcher 定律？
• RQ3 极性纳米区（PNRs）在 FE-DPT 向 RFE 行为转变过程中起何种作用？
• RQ4 Uchino 弥散参数 D 随 x 如何变化？其是否为判断相变类型的有效指标？
• RQ5 导致随 BaTiO3 含量增加而出现相变行为转变的微观结构或动力学因素是什么？

主要发现

• 在 x ≥ 0.225 时，明确观察到从弥散铁电相变（FE-DPT）向弛豫铁电（RFE）行为的转变。
• 对于 x < 0.225，介电常数最大值（Tm）为频率无关，证实了 FE-DPT 行为。
• 对于 x ≥ 0.225，Tm 显示出强烈的频率依赖性，并且与 Vogel-Fulcher 方程拟合良好，证实了 RFE 特征。
• Uchino 弥散参数 D 随 x 增加而增大，表明弥散程度增强，在 x ≈ 0.225 附近达到峰值后趋于稳定。
• 该转变归因于随着 BaTiO3 含量增加，极性纳米区（PNRs）的演化，导致弛豫时间分布更广。
• 本研究验证了 D 作为表征无铅铁电陶瓷相变弥散程度的可靠参数的有效性。