澤攸科技原位TEM技術(shù)助力揭示BF-PT基陶瓷的高性能壓電機(jī)制
日期:2024-07-04
BiFeO3-PbTiO3(BF-PT)基固溶體作為含鉍鈣鈦礦氧化物基壓電體系的代表,因其高居里溫度(Tc)在過去幾十年中被廣泛研究,并在燃油噴射閥、汽車、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這類材料通常在接近所謂的菱方(R)-四方(T)形態(tài)相界(MPB)組成區(qū)域時,展現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能。盡管BF-PT基固溶體的組成接近MPB,但它們通常只表現(xiàn)出較差的d33壓電系數(shù)和應(yīng)變值,這種現(xiàn)象被認(rèn)為與R相中存在的八面體傾斜和T相中大的晶格畸變有關(guān)。R相中的反相八面體傾斜被認(rèn)為會抑制疇壁運動和切換的動力學(xué),從而不利于實現(xiàn)大的壓電性能。此外,BF-PT二元MPB組成的四方性(c/a比)非常大,高達(dá)約1.15,這強烈限制了疇運動和切換。減少晶格畸變似乎可以促進(jìn)疇動力學(xué),但這通常以嚴(yán)重降低Tc值為代價。
盡管通過成分調(diào)節(jié)可以在一定程度上提高BF-PT基MPB組成的d33和應(yīng)變值,但大多數(shù)情況下,即使在Tc值顯著降低后,也未能觀察到顯著增強的d33和應(yīng)變值。此外,多晶壓電陶瓷中復(fù)雜的晶格應(yīng)變和疇切換行為通常存在,其中之一甚至兩者的組合可能會主導(dǎo)MPB組成中增強的各種電性能。當(dāng)發(fā)生場誘導(dǎo)相變時,這種情況可能會變得更加復(fù)雜。盡管在三元(0.75-x)BF-0.25PT-xBa(Zr0.25Ti0.75)O3 (BF-PT-xBZT)系統(tǒng)中報道了臨界MPB組成展現(xiàn)出異常大的d33值,但其大壓電響應(yīng)與內(nèi)在晶格貢獻(xiàn)密切相關(guān),而外在疇貢獻(xiàn)較小。不過目前尚缺乏直接證據(jù)表明電場誘導(dǎo)的相變?nèi)绾斡绊慣和R相的晶格應(yīng)變和疇切換,以及這兩種現(xiàn)象如何影響壓電和應(yīng)變響應(yīng),這些問題對于理解BF-PT-xBZT系統(tǒng)如何展現(xiàn)出如此高的壓電和應(yīng)變響應(yīng),以及進(jìn)一步開發(fā)高性能的BF-PT基和其他類型的含鉍高溫壓電陶瓷至關(guān)重要。
針對BiFeO3-PbTiO3 (BF-PT)基固溶體中存在的壓電性能問題,合肥工業(yè)大學(xué)、安徽工業(yè)大學(xué)以及中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的研究人員組成的團(tuán)隊利用了澤攸科技的透射電鏡原位測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。他們通過原位同步輻射X射線衍射和透射電子顯微鏡技術(shù),對BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3高溫壓電陶瓷進(jìn)行了研究,以闡明其背后的結(jié)構(gòu)機(jī)制。本文章以“Structural mechanisms of large piezoelectric responses in BiFeO3-PbTiO3 based solid-solution ceramics”發(fā)表在《Acta Materialia》期刊上。全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118991
論文主要研究的是BiFeO3-PbTiO3 (BF-PT)基固溶體陶瓷中大型壓電響應(yīng)的結(jié)構(gòu)機(jī)制。BF-PT基材料作為含有鉍的鈣鈦礦氧化物壓電系統(tǒng),因其高居里溫度而在過去幾十年內(nèi)受到廣泛關(guān)注,有著應(yīng)用于燃料噴射閥、汽車、航空航天等領(lǐng)域的潛力。然而即使接近所謂的R-T型態(tài)可變相界(MPB),BF-PT基系統(tǒng)的d33和應(yīng)變值通常并不理想。論文中指出,BF-PT基組成中R相的八面體傾斜和T相的晶格畸變是限制傳統(tǒng)MPB方法無效性的主要原因。
圖 (a) BF-PT-xBZT 三元系統(tǒng)的示意相圖,(b) x 函數(shù)的準(zhǔn)靜態(tài) d33 值的演變。(c) P-E 曲線和 (d) 三種典型 MPB 組成的 S-E 曲線的比較
研究中采用原位同步輻射X射線衍射和透射電子顯微鏡技術(shù),對一種近期報道的具有高電致伸縮系數(shù)的BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3高溫壓電陶瓷進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果顯示,在電場作用下,T相(P4mm)向R相(R3c)發(fā)生了不可逆的轉(zhuǎn)變,雖然兩種相在極化后依然共存。這一轉(zhuǎn)變促進(jìn)了R相和T相顯著增強的不可逆疇切換,以及R相的可逆疇切換,而T相僅表現(xiàn)出輕微增強的可逆切換。與其它BF-PT-xBa(Zr,Ti)O3 MPB組成相比,這導(dǎo)致了晶格應(yīng)變顯著增加至約0.15%,而T相的晶格貢獻(xiàn)和R相、T相的外在貢獻(xiàn)僅略有增加。
圖 對于 x = 0.19 的樣品,(a) (111)c 反射和 1/2(113) 超結(jié)構(gòu)峰以及 (b) (100)c 反射隨著電場變化的演變。相應(yīng)的等高線圖顯示在下方,其中峰強度和位置的相對變化更為清晰
研究還特別關(guān)注了x=0.19樣品的電場誘導(dǎo)行為,發(fā)現(xiàn)它與特定的結(jié)構(gòu)演化趨勢有關(guān)。不同于傳統(tǒng)的PZT和BF-PT固溶體,其中四方相或三方相的含量隨PT含量的增加而單調(diào)變化,在本研究的BF-PT-xBa(Zr,Ti)O3體系中,四方相的體積分?jǐn)?shù)并未單調(diào)增加。當(dāng)x≤0.19時,隨著x的增加,四方相體積分?jǐn)?shù)明顯增加,但x進(jìn)一步增加時,這一比例明顯下降。因此,x=0.19樣品可視為一個轉(zhuǎn)折點,在電場加載下會引起相不穩(wěn)定。
圖 不同電場下對 x = 0.19 樣品進(jìn)行明場透射電子顯微鏡(TEM)觀察
研究發(fā)現(xiàn),x=0.19樣品表現(xiàn)出比其他R3c-P4mm MPB組成和BF-PT基體系更大的壓電、鐵電和應(yīng)變性質(zhì)。這與電場誘導(dǎo)的不可逆相轉(zhuǎn)變密切相關(guān),這種轉(zhuǎn)變改變了R3c相和P4mm相之間的體積分?jǐn)?shù),而沒有涉及先前報道的中間單斜相。實驗結(jié)果證實了R3c相的存在而非R3m相,這與BF基質(zhì)的R3c對稱性一致。
研究通過合理利用R相和T相在MPB中的不同作用,設(shè)計高性能BF-PT基高溫壓電陶瓷的新機(jī)制,同時也揭示了BF-PT-0.19Ba(Zr,Ti)O3樣品如何克服R3c相中八面體傾斜和P4mm相中大晶格畸變的局限,從而獲得增強的壓電活性。
安徽澤攸科技有限公司作為中國本土的精密儀器公司,是原位電子顯微鏡表征解決方案的供應(yīng)商,推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案,陸續(xù)為國內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為本研究成果中用到的原位透射電鏡樣品桿:
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作者:澤攸科技