mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-3-162-169mateltech-445Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSДиэлектрические и пьезоэлектрические свойства керамики PLZT x/40/60 (x = 5; 12)Dielectric and piezoelectric properties of PLZT x/40/60 (x = 5; 12) ceramicsЩегловаА. И.ShcheglovaA. I.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Щеглова Анастасия Игоревна — магистрант

 

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Anastasiya I. Shcheglova — Master of Science

https://orcid.org/0000-0003-3418-7929КисловаИ. Л.KislovaI. L.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Кислова Инна Леонидовна — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики конденсированного состояния

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Inna L. Kislova — Cand. Sci. (Phys.–Math.), Associate Professor

inkis@mail.ruИльинаТ. С.IlinaT. S.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Ильина Татьяна Сергеевна — младший научный сотрудник лаборатории Физики оксидных сегнетоэлектриков

4 Leninsky Ave., Moscow 119049

Tatiana S. Ilina — Junior Researcher

https://orcid.org/0000-0003-1047-3007КиселевД. А.KiselevD. A.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049,

Киселев Дмитрий Александрович — PhD, канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией Физики оксидных сегнетоэлектриков

4 Leninsky Ave., Moscow 119049

Dmitry A. Kiselev — Ph.D., Cand. Sci. (Phys.–Math.), Head of the Laboratory of Physics of Oxide Ferroelectrics

dm.kiselev@misis.ruБарабановаЕ. В.BarabanovaE. V.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Барабанова Екатерина Владимировна — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры Прикладной физики

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Ekaterina V. Barabanova — Cand. Sci. (Phys.–Math.), Associate Professor

ИвановаА. И.IvanovaA. I.

ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100

Иванова Александра Ивановна — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры Прикладной физики

33 Zhelyabova Str., Tver 170100

Alexandra I. Ivanova — Cand. Sci. (Phys.–Math.), Associate Professor

Тверской государственный университетРоссияTver State UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation202121092021243162169Copyright © Щеглова А.И., Кислова И.Л., Ильина Т.С., Киселев Д.А., Барабанова Е.В., Иванова А.И., 20212021Щеглова А.И., Кислова И.Л., Ильина Т.С., Киселев Д.А., Барабанова Е.В., Иванова А.И.Shcheglova A.I., Kislova I.L., Ilina T.S., Kiselev D.A., Barabanova E.V., Ivanova A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/445

Представлены результаты исследований структуры, пьезоэлектрических и диэлектрических свойств керамики цирконата-титаната свинца, модифицированной лантаном различной концентрации (PLZT). Установлено, что с повышением содержания La увеличивается размер зерен и средний размер доменов. В образцах PLZT 12/40/60 присутствуют домены как лабиринтно-подобные и периодические, так и разного латерального размера (от несколько сотен нанометров до 3 мкм в диаметре). Обнаружено, что с увеличением размеров доменов в образцах с большим содержанием лантана усиливается сигнал пьезоэлектрического отклика. Установлен факт существования участков на поверхности керамики PLZT х/40/60, имеющих внутреннее поле смещения, о чем свидетельствует асимметрия по оси напряжения петель остаточного пьезоэлектрического гистерезиса. В образцах PLZT 5/40/60 и PLZT 12/40/60 наблюдалась значительная дисперсия диэлектрической проницаемости ε(f) и максимум тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 105 до 106 Гц. Это связано с наличием ионной релаксационной поляризации. Установлено, что значение диэлектрической проницаемости заметно увеличивается с ростом La, что подтверждает возникновение жесткого униполярного состояния в зернах керамики PLZT 12/40/60. В исследуемых образцах на низких частотах измерительного поля наблюдается рост тангенса угла диэлектрических потерь, что связано с вкладом проводимости в tg δ. Построены зависимости фактора диэлектрических потерь ɛ” от диэлектрической проницаемости ɛ’. Они имеют вид диаграмм Коул—Коула, что свидетельствует о наличии спектра времен релаксации, при этом установлено, что в образцах PLZT 5/40/60 ширина спектра примерно в два раза меньше, чем в образцах PLZT 12/40/60.

The paper presents the results of studies of the structure, piezoelectric and dielectric properties of lead zirconate-titanate ceramics modified with lanthanum of various concentrations (PLZT). It was found that with an increase in the La content, the grain size and the average domain size increase. The PLZT 12/40/60 samples contain both labyrinth-like and periodic domains, as well as different lateral sizes from several hundred nanometers to 3 microns in diameter. It was found that the piezoelectric response signal increases with increasing domain sizes in samples with a high lanthanum content. The fact of the existence of areas on surface of PLZT x/40/60 ceramics having an internal displacement field is established, as evidenced by the asymmetry of the remnant piezoelectric hysteresis loops along the voltage axis. In the samples PLZT 5/40/60 and PLZT 12/40/60, a significant dispersion of the permittivity ε(f) and a maximum of the tangent of the dielectric loss angle were observed in the frequency range from 105 to 106 Hz. This is due to the presence of ionic relaxation polarization, as is the case in ionic dielectrics. It is established that the value of the dielectric constant increases markedly with increasing La, which confirms the occurrence of a rigid unipolar state in the PLZT 12/40/60 ceramic grains. In the samples under study, an increase in the tangent of the dielectric loss angle is observed at low frequencies of the measuring field, which is associated with the contribution of conductivity to tg δ. The dependences of the dielectric loss factor ε” on the dielectric permittivity ε’are constructed. They have the form of Cole-Cole diagrams, which indicates the presence of a relaxation time spectrum, while it was found that the spectrum width in PLZT 5/40/60 samples is about two times less than in PLZT 12/40/60 samples.

керамика PLZTдиэлектрические свойствапьезоэлектрический откликполяризациядоменная структураPLZT ceramicsdielectric propertiespiezoelectric responsepolarizationdomain structureРезультаты сканирующей электронной микроскопии получены с использованием ресурсов Центра коллективного пользования Тверского государственного университета. Исследования методами сканирующей зондовой микроскопии выполнены на оборудовании ЦКП “Материаловедение и металлургия” НИТУ “МИСиС” при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 075-15-2021-696), а также в рамках государственного задания (фундаментальные исследования, проект № 0718-2020-0031).The SEM results were obtained using the resources of the Shared Use Center of Tver State University. The scanning probe microscopy studies were performed on the equipment of the Center for Shared Use “Material Science and Metallurgy” at the National University of Science and Technology “MISiS” and were supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project No. 075-15-2021-696 and as a part of the State Assignment (basic research), project No. 0718-2020-0031.ReferencesСидоркин А.С. Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах. М.: Физматлит; 2000. 240 с.Sidorkin A.S. Domain structure in ferroelectrics and related materials. Moscow: Fizmatlit; 2000. 240 p. (In Russ.)Смоленский Г.А., Боков В.А. и др. Физика сегнетоэлектрических явлений. ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Л.: Наука; 1985. 396 с.Smolenskii G.A., Bokov V.A. et al. Physics of ferroelectric phenomena. Leningrad: Nauka; 1985. 396 p. (In Russ.)Батаев А.А. Композиционные материалы. М.: Логос; 2006. 397 с.Bataev A.A. Composition materials. Moscow: Logos; 2006. 397 p. (In Russ.)Saito Y., Takao H., Tani T., Nonoyama T., Takatori K., Homma T., Nagaya T., Nakamura M. Lead-free piezoceramics. Nature. 2004; 432: 84—87. https://doi.org/10.1038/nature03028Saito Y., Takao H., Tani T., Nonoyama T., Takatori K., Homma T., Nagaya T., Nakamura M. Lead-free piezoceramics. Nature. 2004; 432: 84—87. https://doi.org/10.1038/nature03028Darlington C.N. On the changes in structure of PLZT (8.7/65/35) between 80 and 750 K. Phys. Stat. Sol. 1989; 113: 63—69. https://doi.org/10.1088/0022-3719/21/21/008Darlington C.N. On the changes in structure of PLZT (8.7/65/35) between 80 and 750 K. Phys. Stat. Sol. 1989; 113: 63—69. https://doi.org/10.1088/0022-3719/21/21/008He Y. Heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion of barium titanate-based ceramics. Thermochimica Acta. 2004; 419: 135—141. https://doi.org/10.1016/j.tca.2004.02.008He Y. Heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion of barium titanate-based ceramics. Thermochimica Acta. 2004; 419: 135—141. https://doi.org/10.1016/j.tca.2004.02.008Zhuo F.P., Li Q., Gao J.H., Wang Y.J., Yan Q.F., Xia Z.G., Zhang Y.L., Chu X.C. Structural phase transition, depolarization and enhanced pyroelectric properties of (Pb1-1.5xLax)(Zr0.66Sn0.23Ti0.11)O3 solid solution. J. Mater. Chem. 2016; 4: 7110—7118. https://doi.org/10.1039/C6TC01326KZhuo F.P., Li Q., Gao J.H., Wang Y.J., Yan Q.F., Xia Z.G., Zhang Y.L., Chu X.C. Structural phase transition, depolarization and enhanced pyroelectric properties of (Pb1-1.5xLax)(Zr0.66Sn0.23Ti0.11)O3 solid solution. J. Mater. Chem. 2016; 4: 7110—7118. https://doi.org/10.1039/C6TC01326KHiroshi M. Thermal energy harvesting of PLZT and BaTiO3 ceramics using pyroelectric effects. Nanoscale Ferroelectric-Multiferroic Materials for Energy Harvesting Applications. 2019; 12: 217—229. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814499-2.00012-8Hiroshi M. Thermal energy harvesting of PLZT and BaTiO3 ceramics using pyroelectric effects. Nanoscale Ferroelectric-Multiferroic Materials for Energy Harvesting Applications. 2019; 12: 217—229. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814499-2.00012-8Vodopivec B., Filipic C., Levstik A., Holc J., Kutnjak Z. E-T phase diagram of the 6.5/65/35 PLZT incipient ferroelectric. Journal of the European Society. 2004; 34: 1561—1564. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(03)00535-1Vodopivec B., Filipic C., Levstik A., Holc J., Kutnjak Z. E-T phase diagram of the 6.5/65/35 PLZT incipient ferroelectric. Journal of the European Society. 2004; 34: 1561—1564. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(03)00535-1Grechishkin R.M., Kaplunov I.A., Ilyashenko S.E., Malyshkina O.V., Mamkina N.O., Lebedev G.A., Zalyotov A.B. Magnetoelectric effect in metglas/piezoelectric macrofiber composites. Ferroelectrics. 2011; 424(1): 78—85. https://doi.org/10.1080/00150193.2011.623939Grechishkin R.M., Kaplunov I.A., Ilyashenko S.E., Malyshkina O.V., Mamkina N.O., Lebedev G.A., Zalyotov A.B. Magnetoelectric effect in metglas/piezoelectric macrofiber composites. Ferroelectrics. 2011; 424(1): 78—85. https://doi.org/10.1080/00150193.2011.623939Karpenkov D.Y., Bogomolov A.A., Solnyshkin A.V., Karpenkov A.Y., Shevyakov V.I., Belov A.N. Multilayered ceramic heterostructures of lead zirconate titanate and nickel-zinc ferrite for magnetoelectric sensor elements. Sensors and Actuators A: Physical. 2017; 266: 242—246. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.09.011Karpenkov D.Y., Bogomolov A.A., Solnyshkin A.V., Karpenkov A.Y., Shevyakov V.I., Belov A.N. Multilayered ceramic heterostructures of lead zirconate titanate and nickel-zinc ferrite for magnetoelectric sensor elements. Sensors and Actuators A: Physical. 2017; 266: 242—246. https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.09.011Ferri A., Saitzek S., Da Costa A., Desfeux R., Leclerc G., Bouregba R., Poullain G. Thickness dependence of the nanoscale piezoelectric properties measured by piezoresponse force microscopy on (111)-oriented PLZT 10/40/60 thin films. Surface Science. 2008; 602(11): 1987—1992. https://doi.org/10.1016/j.susc.2008.04.001Ferri A., Saitzek S., Da Costa A., Desfeux R., Leclerc G., Bouregba R., Poullain G. Thickness dependence of the nanoscale piezoelectric properties measured by piezoresponse force microscopy on (111)-oriented PLZT 10/40/60 thin films. Surface Science. 2008; 602(11): 1987—1992. https://doi.org/10.1016/j.susc.2008.04.001Saha S.K., Pramanik P. Synthesis of nanophase PLZT (12/40/60) powder by PVA-solution technique. Nanostructured Materials. 1997; 8(1): 29—36. https://doi.org/10.1016/S0965-9773(97)00062-7Saha S.K., Pramanik P. Synthesis of nanophase PLZT (12/40/60) powder by PVA-solution technique. Nanostructured Materials. 1997; 8(1): 29—36. https://doi.org/10.1016/S0965-9773(97)00062-7Deb K.K. Pyroelectric characteristics of a hot-pressed lanthanum-doped PZT (PLZT (8/40/60)). Materials Letters. 1987; 5(5-6): 222—226. https://doi.org/10.1016/0167-577X(87)90015-2Deb K.K. Pyroelectric characteristics of a hot-pressed lanthanum-doped PZT (PLZT (8/40/60)). Materials Letters. 1987; 5(5-6): 222—226. https://doi.org/10.1016/0167-577X(87)90015-2Buixaderas E., Gregora I., Kamba S., Petzelt J., Kosec M. Raman spectroscopy and effective dielectric function in PLZT x/40/60. Journal of Physics: Condensed Matter. 2008; 20; 345229. https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/34/345229Buixaderas E., Gregora I., Kamba S., Petzelt J., Kosec M. Raman spectroscopy and effective dielectric function in PLZT x/40/60. Journal of Physics: Condensed Matter. 2008; 20; 345229. https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/34/345229Buixaderas E., Nuzhnyy D., Veljko S., Savinov M., Vanek P., Kamba S., Petzelt J., Kosec M. Broad-band dielectric spectroscopy of tetragonal PLZT x/40/60. Phase Transitions - PHASE TRANSIT. 2006; 79: 415—426. https://doi.org/10.1080/01411590600892179Buixaderas E., Nuzhnyy D., Veljko S., Savinov M., Vanek P., Kamba S., Petzelt J., Kosec M. Broad-band dielectric spectroscopy of tetragonal PLZT x/40/60. Phase Transitions - PHASE TRANSIT. 2006; 79: 415—426. https://doi.org/10.1080/01411590600892179Li S., Nie H.C., Chen X.F., Cao F., Wang G.S., Dong X.L. Structure, phase transition behavior and electrical properties of Pb0.99(SnxZr0.95-xTi0.05)0.98Nb0.02O3 ceramics. J. Alloys Compd. 2018; 732: 306—313. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.216Li S., Nie H.C., Chen X.F., Cao F., Wang G.S., Dong X.L. Structure, phase transition behavior and electrical properties of Pb0.99(SnxZr0.95-xTi0.05)0.98Nb0.02O3 ceramics. J. Alloys Compd. 2018; 732: 306—313. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.216Makarova L.A., Alekhina Yu.A., Perov N.S., Omelyanchik A.S., Rodionova V.V., Malyshkina O.V. Elastically coupled ferromagnetic and ferroelectric microparticles: new multiferroic materials based on polymer, NdFeB and PZT particles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019; 470: 89—92. https://doi.org/10.1016 /j.jmmm.2017.11.121Makarova L.A., Alekhina Yu.A., Perov N.S., Omelyanchik A.S., Rodionova V.V., Malyshkina O.V. Elastically coupled ferromagnetic and ferroelectric microparticles: new multiferroic materials based on polymer, NdFeB and PZT particles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019; 470: 89—92. https://doi.org/10.1016 /j.jmmm.2017.11.121Kallaev S.N., Omarov Z.M., Mitarov R.G., Sadykov S.A., Khasbulatov S.V., Reznichenko L., Bormanis K., Kundzinish M. Heat capacity and thermal conductivity of multiferroics Bi1-xPrxFeO3. Integrated Ferroelectrics. 2019; 196(1): 120—126. https://doi.org/10.1080/10584587.2019.1591973Kallaev S.N., Omarov Z.M., Mitarov R.G., Sadykov S.A., Khasbulatov S.V., Reznichenko L., Bormanis K., Kundzinish M. Heat capacity and thermal conductivity of multiferroics Bi1-xPrxFeO3. Integrated Ferroelectrics. 2019; 196(1): 120—126. https://doi.org/10.1080/10584587.2019.1591973Митаров Р.Г, Каллаев С.Н., Садыков С.М. Тепловые свойства релаксорной сегнетокерамики ЦТСЛ. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2010; (18): 53—60. https://cyberleninka.ru/article/n/teplovye-svoystva-relaksornoy-segnetokeramiki-tstsl (дата обращения: 27.08.2021).Mitarov R.G., Kallaev S.N., Sadykov S.M., Thermal properties of PLZT relaxor ferroelectric ceramics. Vestn. Dagest. Tekh. Univ., Tekh. Nauki, 2010; (18): 53—60. (In Russ.). https://cyberleninka.ru/article/n/teplovye-svoystva-relaksornoy-segnetokeramiki-tstslHorcas I., Fernández R., Gómez-Rodríguez J.M, Colchero J., Gómez-Herrero J., Baro A.M. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 2007; 78: 013705. https://doi.org/10.1063/1.2432410Horcas I., Fernández R., Gómez-Rodríguez J.M, Colchero J., Gómez-Herrero J., Baro A.M. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 2007; 78: 013705. https://doi.org/10.1063/1.2432410Kholkin A.L., Kiselev D.A., Bdikin I.K., Sternberg A., Dkhil B., Jesse S., Ovchinnikov O., Kalinin S.V. Mapping disorder in polycrystalline relaxors: A piezoresponse force microscopy approach. Materials. 2010; 3: 4860—4870. https://doi.org/10.3390/ma3114860Kholkin A.L., Kiselev D.A., Bdikin I.K., Sternberg A., Dkhil B., Jesse S., Ovchinnikov O., Kalinin S.V. Mapping disorder in polycrystalline relaxors: A piezoresponse force microscopy approach. Materials. 2010; 3: 4860—4870. https://doi.org/10.3390/ma3114860Hong S., Woo J., Shin H., Jeon J.U., Pak Y.E., Colla E.L., Setter N., Kim E., No K. Principle of ferroelectric domain imaging using atomic force microscope. J. Appl. Phys. 2001; 89: 1377—1386. https://doi.org/10.1063/1.1331654Hong S., Woo J., Shin H., Jeon J.U., Pak Y.E., Colla E.L., Setter N., Kim E., No K. Principle of ferroelectric domain imaging using atomic force microscope. J. Appl. Phys. 2001; 89: 1377—1386. https://doi.org/10.1063/1.1331654Bogomolov A.A., Solnyshkin A.V., Lazarev A.Yu., Kiselev D.A., Kholkin A.L. Polarization of surface layers in PLZT relaxor ceramics. Ferroelectrics. 2008; 374: 144—149. https://doi.org/10.1080/00150190802427598Bogomolov A.A., Solnyshkin A.V., Lazarev A.Yu., Kiselev D.A., Kholkin A.L. Polarization of surface layers in PLZT relaxor ceramics. Ferroelectrics. 2008; 374: 144—149. https://doi.org/10.1080/00150190802427598Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат; 1982. 320 с.Tareev B.M. Physics of dielectric materials. Moscow: Energoizdat; 1982. 320 p. (In Russ.)Gao J.H., Li Q., Li Y.Y., Zhuo F.P., Yan Q.F., Cao W.W., Xi X.Q., Zhang Y.L., Chu X.C. Electric field induced phase transition and domain structure evolution in (Pb, La)(Zr,Sn,Ti)O3 single crystal. Appl. Phys. Lett. 2015; 107(7): 072909. https://doi.org/10.1063/1.4929463Gao J.H., Li Q., Li Y.Y., Zhuo F.P., Yan Q.F., Cao W.W., Xi X.Q., Zhang Y.L., Chu X.C. Electric field induced phase transition and domain structure evolution in (Pb, La)(Zr,Sn,Ti)O3 single crystal. Appl. Phys. Lett. 2015; 107(7): 072909. https://doi.org/10.1063/1.4929463

The authors declare that there are no conflicts of interest present.