[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究确定，在 (Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃ (PSZT) 中 x = 0.530 处的形态相界 (MPB) 附近，弹性模量软化是压电响应峰值的主要起源。同步辐射 X 射线衍射、介电性、压电性和声速测量结果表明，弹性软化使大应变和极化成为可能，为无铅压电材料的设计提供了新原则。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于为何在 PSZT 陶瓷的形态相界 (MPB) 区域特定组成处压电响应达到峰值的疑问。
• 严格评估现有模型——相共存、极化旋转、三临界点和弹性软化——在解释压电响应组成特异性峰值方面的能力。
• 确定在 (Pb0.94Sr0.06)(Zr_xTi_{1-x})O₃ 中 x = 0.530 处最大压电响应的主要物理机制。
• 基于弹性软化，为开发环境友好型无铅压电材料提供新的设计标准。

提出的方法

• 利用同步辐射 X 射线粉末衍射分析 MPB 组成范围内的晶体结构演化。
• 进行介电和压电测量，以量化 MPB 附近的组成依赖性响应。
• 测量声速随组成的变化，以提取弹性模量并评估其软化行为。
• 将测得的弹性软化与 x = 0.530 处观察到的压电响应峰值相关联。
• 基于实验数据，评估竞争性理论模型（相共存、极化旋转、三临界点、弹性软化）的适用性。
• 利用组成依赖的弹性模量趋势，确定其在实现大应变和极化中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSZT 陶瓷在 x = 0.530 处压电响应峰值的物理机制是什么？
• RQ2 现有模型——相共存、极化旋转、三临界点和弹性软化——在多大程度上能够解释压电响应的组成特异性最大值？
• RQ3 弹性模量如何随 MPB 范围内的组成变化而演变，其在增强压电性中扮演何种角色？
• RQ4 仅靠弹性模量软化是否足以解释观测到的压电响应峰值，还是需要其他因素的参与？
• RQ5 所观测到的弹性软化机制是否可推广，以指导无铅压电材料的开发？

主要发现

• PSZT 在 x = 0.530 处的压电响应峰值主要由弹性模量随组成的软化引起。
• 弹性模量软化通过降低外场作用下晶格畸变的能量势垒，使大压电应变和极化成为可能。
• 基于相共存、极化旋转和三临界点效应的模型无法解释在特定组成处出现的尖锐峰值。
• 仅靠温度依赖的弹性模量软化无法解释组成特异性的最大响应。
• 观测到的弹性软化在 x = 0.530 处最为显著，与最大压电响应位置完全一致。
• 该机制为开发高性能无铅压电材料提供了新的、可推广的设计原则。