High field dielectric behaviour of ferroelectric ceramics

Hall, David A.; Stevenson, Paul J.

doi:10.1080/00150199908226132

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“…In previous work, Rayleigh law has been used to investigate the extrinsic contribution to the dielectric and piezoelectric responses in ferroelectric materials. [5][6][7][8][9][10] Therefore, Rayleigh law gives a way to investigate the domain size (reciprocal of domain wall density) effect in domain engineered single crystals.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Domain size engineering in tetragonal Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 crystals

Lin

Zhang

et al. 2011

Journal of Applied Physics

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The effect of domain size on the dielectric and piezoelectric properties of [111]-oriented tetragonal Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 crystals was investigated. The dielectric permittivity (e 33 T /e 0 ) and piezoelectric coefficient (d 33 ) were found to be on the order of 13 800 and 1630 pC/N, respectively, for samples with domain size of $500 nm, a 3-fold increase to crystals with domain size of $50 lm. Rayleigh analysis revealed that the extrinsic contribution to the piezoelectric response increased from $8% to 30% with decreasing domain size, due to the increased domain wall density and associated irreversible domain wall motion. The enhanced properties were thought to relate to the fine domain structures, however, showing a poor electric field and temperature stabilities with domain size of 500 nm. Of particular significance is that samples with domain size being on the order of 5 lm exhibit field and temperature stabilities, with yet high piezoelectric properties, make it potential for transducer applications.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Domain size engineering in tetragonal Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 crystals

Lin

Zhang

et al. 2011

Journal of Applied Physics

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“…El primer modelo utilizado, que proviene del magnetismo, es el modelo de Rayleigh (1,4). Según este modelo, la permitividad dieléctrica aumenta con la amplitud del campo eléctrico aplicado E 0 , al igual que las pérdidas dieléctricas: [2] siendo D el vector desplazamiento eléctrico y E el valor instantáneo del campo eléctrico (5).…”

Section: Comportamiento No Linealunclassified

“…En un estudio más detallado de estas contribuciones, se ha descompuesto el incremento de la constante dieléctrica en dos contribuciones ∆ε'=ε α +ε β , una ε α que es igual al incremento de la constante dieléctrica a campo eléctrico instantáneo nulo, que depende únicamente de la amplitud del campo eléctrico E 0 , y otra contribución ε β que recoge la dependencia instantánea con el campo eléctrico E: [4] Se ha obtenido que la relación entre ε'' y ε α es una relación lineal, m α =ε''/ε α = 0.42, tal como predice el modelo de Rayleigh. Sólo en el caso en que ε β fuese nulo, como prácticamente ocurre en los materiales blandos, se cumpliría que m α =m ε .…”

Section: Tipos De Paredes De Dominiounclassified

Comportamientos intrínseco y extrínseco de piezocerámicas

Albareda¹,

Pérez²,

García³

et al. 2008

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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Los altos valores de los coeficientes dieléctricos y piezoeléctricos en las piezocerámicas son debidos a la superposición de los efectos intrínsecos y extrínsecos. El objetivo de este trabajo es profundizar en los mecanismos presentes en las cerámicas y que producen estos efectos. Se asume que el efecto intrínseco tiene un comportamiento lineal que es independiente de la temperatura, mientras que el efecto extrínseco, producido por el movimiento de paredes de dominio, tiene una dependencia no lineal y depende de la temperatura. También puede aceptarse que a muy baja temperatura la contribución extrínseca desaparece, debido a que los dominios se congelan. Además se considera que los efectos intrínsecos y extrínsecos son independientes y pueden sumarse. Estas hipótesis permiten calcular los coeficientes lineal, intrínseco y extrínseco. Se han realizado medidas lineales de los coeficientes elásticos, dieléctricos y piezoeléctricos a muy baja temperatura, así como medidas no lineales, sobre diferentes cerámicas. Se analiza la diferente repercusión de las paredes de dominio de 180º y de no-180º en los coeficientes dieléctricos y piezoeléctricos. Se ha desarrollado un modelo de contribución extrínseca por dominios de no-180º con estructura laminar de dominios ferroeléctricos en los granos de la cerámica. La anisotropía dieléctrica no lineal, (∆ε 11 ) NL >(∆ε 33 ) NL , se ha medido y confirma dicho modelo. Palabras clave: piezoelectricidad, extrínseco, no linealidad, cerámicas. Intrinsic and extrinsic behaviours in piezoceramicsHigh values of dielectric and piezoelectric coefficients in piezoceramics are due to the superposition of extrinsic and intrinsic effects. The aim of this paper is to gain insights into the intrinsic and extrinsic mechanisms present in ceramics. It is assumed that the intrinsic effect has a linear behaviour and is temperature-independent. On the other hand, the extrinsic effect, which corresponds to the domain wall movement, has a non-linear dependence, and is temperature-dependent. Therefore, it can be assumed that at a very low temperature the extrinsic contribution disappears because the domains freeze up. Also, it is considered that the intrinsic and extrinsic effects are independent and may be added together. From these hypotheses, the linear, intrinsic and extrinsic coefficients may be obtained. Linear dielectric and piezoelectric measurements have been carried out at very low temperatures, as well as non-linear measurements, using different piezoceramic materials. An analysis of the 180º and non-180º domain wall extrinsic contribution is conducted producing different contributions on the dielectric and piezoelectric coefficients. A model of the extrinsic contribution of non-180º domain wall in grain ceramics with a ferroelectric domain laminar structure has been developed. The non-linear dielectric anisotropy, (∆ε 11 ) NL >(∆ε 33 ) NL , is measured and supports the previous model. Key words: piezoelectricity, extrinsic, non-linear, ceramic. INTRODUCCIóNEl estudio de las cerámicas piezoelé...

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“…All these effects imply not only high coefficients, but also dielectric, elastic and piezoelectric non-linear behaviours (1)(2)(3)(4). Sometimes these effects are undesired, for example when the losses in high power devices increase.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Caracterización del coeficiente extrínseco en cerámicas PZT cerca de la transición de fase morfotrópica

Albareda¹,

Pérez²,

García³

et al. 2006

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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PZT ceramics with high piezoelectric coefficients have high extrinsic contributions. This extrinsic behaviour, which is related to the domain wall movement, produces high non-linear effects that are sometimes inconvenient, for example when it increases the losses in power devices. The relation between extrinsic behaviour and non-linearities could be used to provide a good extrinsic characterization of materials in order to optimise the piezoelectric devices. In all cases the physical explanation of the behaviour is sought. The aim of this work is to study the dependence of the linear and non-linear dielectric, piezoelectric and mechanical coefficients on the Ti fraction in PZT ceramic compositions near the morphotropic phase boundary (MPB). The dependence of these coefficients on the defect concentration is also analysed. Hard ceramics belonging to Ferroperm Piezoceramics, with two different acceptor dopant levels, high and low, have been measured. Keywords: Piezoelectricity, Ferroelectric domains, Extrinsic.Caracterización del coeficiente extrínseco en cerámicas PZT cerca de la transición de fase morfotrópica.Las cerámicas PZT con coeficientes piezoeléctricos elevados poseen contribuciones extrínsecas grandes. Este comportamiento extrínseco, relacionado con el movimiento de las paredes de los dominios, comporta efectos no lineales grandes que no siempre son deseables, por ejemplo, al incrementar las pérdidas de los dispositivos piezoeléctricos. Esta correspondencia entre efectos extrínsecos y no linealidades puede ser utilizada para caracterizar las cerámicas con el fin de optimizar sus propiedades piezoeléctricas. En todos los casos se busca una interpretación física de los resultados obtenidos. El objetivo de este trabajo es el estudio de la dependencia de los coeficientes lineales y no lineales dieléctricos, piezoeléctricos y elásticos con la fracción de Ti en cerámicas PZT con composiciones de Zr-Ti cerca de la transición de fase morfotrópica (MPB). También se analiza la dependencia de estos coeficientes con la concentración de impurezas, utilizando para ello cerámicas de Ferroperm Piezoceramics del tipo duras y con dos niveles de dopaje aceptor, alto y bajo.Palabras clave: Piezoelectricidad, Dominios ferroeléctricos, Extrínseco.

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High field dielectric behaviour of ferroelectric ceramics

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Domain size engineering in tetragonal Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 crystals

Domain size engineering in tetragonal Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 crystals

Comportamientos intrínseco y extrínseco de piezocerámicas

Caracterización del coeficiente extrínseco en cerámicas PZT cerca de la transición de fase morfotrópica

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