[论文解读] 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. Fancher+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2015

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 27被引用 11

一句话总结

本研究揭示了在赝正交晶系 BiScO3-PbTiO3 (x = 0.40) 陶瓷中，非极性 100 方向的异常电场诱导晶格应变与 111 域取向重排之间存在强烈的耦合。通过原位高能同步辐射X射线衍射，研究发现 100 方向的应变是 111 方向的五倍，且 200 晶面应变与 111 域开关之间存在直接的一一对应关系，表明域取向重排在巨大应变响应中起主导作用。

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.

研究动机与目标

• 研究在循环电场作用下，赝正交晶系 xBiScO3-(1-x)PbTiO3 (x = 0.40) 中晶格应变与域开关之间的相互作用。
• 理解沿非极性 100 方向出现异常大应变的起源，该应变超过沿极性 111 方向的应变。
• 通过原位衍射建立 200 晶面应变与 111 域取向重排之间的定量相关性。
• 阐明该高Tc体系中巨大压电响应背后的机制。

提出的方法

• 采用原位高能同步辐射X射线衍射，在外加电场下实时监测晶格应变与域取向重排。
• 对具有赝正交结构的织构多晶陶瓷样品施加循环电场。
• 通过电场函数关系的 200 衍射峰位置偏移来量化晶格应变。
• 通过 111 衍射峰强度演变来追踪域取向重排，该峰对 111 域开关敏感。
• 通过比较不同晶向上的应变与域行为，分析晶粒取向效应。
• 通过同时监测两个参数，建立 200 晶面应变与 111 域开关之间的一一对应关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在赝正交晶系 BiScO3-PbTiO3 中，是什么导致了非极性 100 方向出现异常大的晶格应变？
• RQ2 在电场作用下，100 晶面应变与 111 域取向重排之间存在何种关联？
• RQ3 尽管 111 方向为极性方向，为何该体系中 100 方向的应变是 111 方向的五倍？
• RQ4 域取向重排在整体宏观应变响应中贡献了多少？
• RQ5 200 晶面应变与 111 域开关之间是否存在直接的定量关系？

主要发现

• 在相同电场下，非极性 100 方向的晶格应变约为极性 111 方向的五倍。
• 观察到 200 晶面应变与 111 域开关之间存在直接的一一对应关系，表明域取向重排是应变的主要来源。
• 200 晶面应变随外加电场线性增加，反映出可逆且与电场相关的晶格畸变。
• 111 域开关与 200 应变强烈相关，表明域取向重排驱动了巨大的应变响应。
• 应变响应具有显著各向异性，100 方向对外加电场表现出极高的敏感性。
• 结果表明，域取向重排是该高居里温度陶瓷体系中异常压电行为的关键机制。