Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства керамики PLZT x/40/60 (x = 5; 12)

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.

1. Сидоркин А.С. Доменная структура в сегнетоэлектриках и родственных материалах. М.: Физматлит; 2000. 240 с.

2. Смоленский Г.А., Боков В.А. и др. Физика сегнетоэлектрических явлений. ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Л.: Наука; 1985. 396 с.

3. Батаев А.А. Композиционные материалы. М.: Логос; 2006. 397 с.

4. 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/nature03028

5. Darlington 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/10.1088/0022-3719/21/21/008

6. He 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.2004.02.008

7. Zhuo 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/C6TC01326K

8. Hiroshi 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/B978-0-12-814499-2.00012-8

9. Vodopivec 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)00535-1

10. Grechishkin 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/10.1080/00150193.2011.623939

11. Karpenkov 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.2017.09.011

12. Ferri 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.2008.04.001

13. Saha 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)00062-7

14. Deb 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)90015-2

15. Buixaderas 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/10.1088/0953-8984/20/34/345229

16. Buixaderas 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/10.1080/01411590600892179

17. Li 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.2018.12.216

18. Makarova 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.2017.11.121

19. Kallaev 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/10.1080/10584587.2019.1591973

20. Митаров 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).

21. Horcas 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/10.1063/1.2432410

22. Kholkin 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/ma3114860

23. Hong 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/10.1063/1.1331654

24. Bogomolov 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/10.1080/00150190802427598

25. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат; 1982. 320 с.

26. 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/10.1063/1.4929463