Views Icon Views Article contents Figures & tables Video Audio Supplementary Data Peer Review Share Icon Share Twitter Facebook Reddit LinkedIn Tools Icon Tools Reprints and Permissions Cite Icon Cite Search Site Citation Seung-Eek Park, Thomas R. Shrout; Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals. Journal of Applied Physics 15 August 1997; 82 (4): 1804–1811. https://doi.org/10.1063/1.365983 Download citation file: Ris (Zotero) Reference Manager EasyBib Bookends Mendeley Papers EndNote RefWorks BibTex toolbar search Search Dropdown Menu toolbar search search input Search input auto suggest filter your search All ContentAIP Publishing PortfolioJournal of Applied Physics Search Advanced Search |Citation Search

The processing, electromechanical properties, and microstructure of lead zirconate titanate (PZT) ceramics over the grain‐size range of 0.1‐10 μm were studied. Using measurements over a large temperature range (15‐600 K), the relative role of extrinsic contribution (i.e., domain‐wall motion) was deduced to be influenced strongly by the grain size, particularly for donor‐doped PZT. Analytical transmission electron microscopy studies were conducted to investigate the trend in domain configurations with the reduction of grain size. The correlations between domain density, domain variants, domain configurations (before and after poling), spontaneous deformation, and the elastodielectric properties were qualitatively discussed, leading to new insights into the intrinsic and extrinsic effects and relevant size effects in ferroelectric polycrystalline materials.

For ultrasonic transducers, piezoelectric ceramics offer a range of dielectric constants (K/spl sim/1000-5000), large piezoelectric coefficients (d/sub ij//spl sim/200-700 pC/N), and high electromechanical coupling (k/sub t//spl sime/50%, k/sub 33//spl sime/75%). For several decades, the material of choice has been polycrystalline ceramics based on the solid solution Pb(Zr/sub 1-x/B/sub 2x/)O/sub 3/ (PZT), compositionally engineered near the morphotropic phase boundary (MPB). The search for alternative MPB systems has led researchers to revisit relaxor-based materials with the general formula, Pb(B/sub 1/,B/sub 2/)O/sub 3/ (B/sub 1/:Zn/sup 2+/, Mg/sup 2+/, Sc/sup 3+/, Ni/sup 2+/..., B/sub 2/:Nb/sup 5+/ Ta/sup 5+/...). There are some claims of superior dielectric and piezoelectric performance compared to that of PZT materials. However, when the properties are examined relative to transition temperature (T/sub 3/), these differences are not significant. In the single crystal form, however, Relaxor-PT materials, represented by Pb(Zn/sub 1/3/Nb/sub 2/3/)O/sub 3/-PbTiO/sub 3/ (PZN-PT), Pb(Mg/sub 1/3/Nb/sub 2/3/)O/sub 3/-PbTiO/sub 3/ (PMN-PT) have been found to exhibit longitudinal coupling coefficients (k/sub 33/)>90%, thickness coupling (k/sub t/)>83%, dielectric constants ranging from 1000 to 5000 with low dielectric loss <1%, and exceptional piezoelectric coefficients d/sub 33/>2000 pC/N, the later promising for high energy density actuators. For single crystal piezoelectrics to become the next generation material of ultrasonic transducers, further investigation in crystal growth, device fabrication and testing are required.

Samarium supersensors Piezoelectric materials produce electric charge in response to changes in stress and are thus good sensor materials. One challenge has been growing single-crystal piezoelectrics with uniform properties. As of now, much of the crystal is discarded because of compositional variations. Li et al. synthesized single crystals of samarium-doped Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 that have uniform and extremely high piezoelectric properties (see the Perspective by Hlinka). These crystals are ideal for a variety of sensing applications and could reduce cost by eliminating waste. Science , this issue p. 264 ; see also p. 228

Lead-free piezoelectric ceramics, with the nominal composition of 0.948(K0.5Na0.5)NbO3–0.052LiSbO3 (KNN-LS5.2), were synthesized by conventional solid-state sintering, and the piezoelectric and electromechanical properties were characterized as a function of temperature. The Curie temperature of the KNN based perovskite material was found to be 368°C with an orthorhombic-tetragonal polymorphic phase transition (TO-T) temperature at approximately ∼35°C. The room temperature dielectric permittivity (ε33T∕ε0) and loss were found to be 1380 and 2%, respectively, with piezoelectric properties of k33∼62% and d33∼265pC∕N and k31∼30% and d31∼−116pC∕N. The temperature dependence of the properties mimicked the compositional variation seen in the proximity of a morphotropic phase boundary [e.g., lead zirconate titanate (PZT)], with a maxima in the dielectric and piezoelectric properties and a corresponding “softening” of the elastic properties. Unlike that found for PZT-type materials, the modified KNN material exhibited characteristics of both “soft” and “hard” piezoelectricities owing to the distinctly different domain states associated with orthorhombic and tetragonal phases.

Abstract The discovery of ultrahigh piezoelectricity in relaxor-ferroelectric solid solution single crystals is a breakthrough in ferroelectric materials. A key signature of relaxor-ferroelectric solid solutions is the existence of polar nanoregions, a nanoscale inhomogeneity, that coexist with normal ferroelectric domains. Despite two decades of extensive studies, the contribution of polar nanoregions to the underlying piezoelectric properties of relaxor ferroelectrics has yet to be established. Here we quantitatively characterize the contribution of polar nanoregions to the dielectric/piezoelectric responses of relaxor-ferroelectric crystals using a combination of cryogenic experiments and phase-field simulations. The contribution of polar nanoregions to the room-temperature dielectric and piezoelectric properties is in the range of 50–80%. A mesoscale mechanism is proposed to reveal the origin of the high piezoelectricity in relaxor ferroelectrics, where the polar nanoregions aligned in a ferroelectric matrix can facilitate polarization rotation. This mechanism emphasizes the critical role of local structure on the macroscopic properties of ferroelectric materials.

Dielectric properties are reported for lead magnesium niobate (PbMg 1/3 Nb 2/3 /O 3 ) ceramics which were prepared as single phase (i.e., without pyrochlore) with an improved technique. Dielectric constants of 18000 for pure PMN and 31000 for PMN with 10% PbTiO 3 were achieved; these values are 50% larger than those reported in the literature. The dielectric constant of PMN ceramics was found to increase with both sintering temperature and excess MgO, and subsequent analysis of the microstructures confirmed that this was due to an increase in grain size. This grain‐size dependence is explained as a consequence of low‐permittivity grain boundaries.