ABSTRACT ABSTRACT Crystallographic texturing of polycrystalline ferroelectric ceramics offers a means of achieving significant enhancements in the piezoelectric response. Templated grain growth (TGG) enables the fabrication of textured ceramics with single crystal-like properties, as well as single crystals. In TGG, nucleation and growth of the desired crystal on aligned single crystal template particles results in an increased fraction of oriented material with heating. To facilitate alignment during forming, template particles must be anisometric in shape. To serve as the preferred sites for epitaxy and subsequent oriented growth of the matrix, the template particles need to be single crystal and chemically stable up to the growth temperature. Besides templating the growth process, the template particles may also serve as seed sites for phase formation of a reactive matrix. This process, referred to as Reactive TGG (RTGG), has been used to obtain highly oriented Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Sr0.53Ba0.47Nb2O6, and (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3. Highly oriented Bi4Ti3O12, Sr2Nb2O7, CaBi4Ti4O15, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Sr0.53Ba0.47Nb2O6 and (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3 ceramics have been produced by TGG. The resulting ceramics show texture levels up to 90%, and significant enhancements in the piezoelectric properties relative to randomly oriented ceramics with comparable densities. For example, piezoelectric coefficients of textured piezoelectrics are from 2 to 3 times higher than polycrystalline ceramics and as high as 90% of the single crystal values. In textured PMN-PT, a low field (< 5 kV/cm) piezoelectric coefficient (d 33) of ∼1600 pC/N was obtained with > 0.3% strain (at 50 kV/cm). The high field dielectric and electromechanical properties of textured perovskites are more hysteretic than those of single crystals, probably as a result of clamping by the residual template particles, residual random grains, the presence of non-ferroelectric second phases, and a wide orientation distribution. Lateral clamping of one grain by another may also be an important factor in fiber-textured samples. Means to further improve the quality of texture and thus properties of textured piezoelectric ceramics by TGG are presented. Keywords: templated grain growthtexturepiezoelectricsingle crystalsperovskiteferroelectricceramics ACKNOWLEDGMENTS The authors appreciate the long-term support of this work by the Office of Naval Research (Wally Smith and Steve Fishman), Defense Advanced Research Projects Administration (Bill Coblenz), and the Air Force Office of Scientific Research (Alex Pechinek and Joan Fuller). Financial support from DARPA on AFOSR Grant No. F49620-94-1-0428, subcontract to Materials Systems, Inc., Littleton, MA on DARPA/NAVSEA N66604-99-C-4622, and ONR Grants N0001-94-1-0007 and N00014-98-1-0527 are gratefully acknowledged.

▪ Abstract This paper reviews the literature on size effects in ferroelectric materials, with an emphasis on thin film perovskite ferroelectrics. The roles of boundary conditions, defect chemistry, electrode interfaces, surface layers, and microstructure in controlling the measured properties of ferroelectric films, as well as the observed deviation from bulk properties are discussed. Examples of the manifestation of size effects in terms of the low and high field dielectric properties, the piezoelectric effect, and the leakage behavior of films are given.

In this article, domain wall motion and the extrinsic contributions to the dielectric and piezoelectric responses in sol–gel derived lead zirconate titanate (PZT) films with compositions near the morphotropic phase boundary were investigated. It was found that although the films had different thicknesses, grain sizes, and preferred orientations, similar intrinsic dielectric constants were obtained for all films between 0.5 and 3.4 μm thick. It was estimated that about 25%–50% of the dielectric response at room temperature was from extrinsic sources. The extrinsic contribution to the dielectric constant of PZT films was mainly attributed to 180° domain wall motion, which increased with both film thickness and grain size. In studies on the direct and converse longitudinal piezoelectric coefficients of PZT films as a function of either stress or electric driving field, it was found that the ferroelastic non-180° domain wall motion was limited. Thus extrinsic contributions to the piezoelectric response were small in fine grain PZT films (especially those under 1.5 μm in thickness). However, as the films became thicker (&gt;5μm), nonlinear behavior between the converse piezoelectric coefficient and the electric driving field was observed. This indicated that there was significant ferroelectric non-180° domain wall motion under high external excitation in thicker films. The activity of the non-180° domain walls was studied through non-180° domain switching. For fine grain films with film thicknesses less than 2 μm, non-180° switching was negligible. Transmission electron microscopy plan-view micrographs evidenced non-180° domain fringes in these films, where the vast majority of grains were 50–100 nm in diameter and showed a single set of domain fringes. Taken together, these measurements suggest that the pinning of non-180° domain walls is very strong in films with thickness less than 2 μm. In thicker films, non-180° domain switching was evidenced when the poling field exceeded a threshold field. The threshold field decreased with an increase in film thickness, suggesting more non-180° domain wall mobility in thicker films. Non-180° domain switching in large grained PZT films was found to be much easier and more significant than in the fine grained PZT films.

A high, temperature‐stable dielectric constant (∼1000 from 0° to 300°C) coupled with a high electrical resistivity (∼10 12 Ω·cm at 250°C) make 0.7 BaTiO 3 –0.3 BiScO 3 ceramics an attractive candidate for high‐energy density capacitors operating at elevated temperatures. Single dielectric layer capacitors were prepared to confirm the feasibility of BaTiO 3 –BiScO 3 for this application. It was found that an energy density of about 6.1 J/cm 3 at a field of 73 kV/mm could be achieved at room temperature, which is superior to typical commercial X7R capacitors. Moreover, the high‐energy density values were retained to 300°C. This suggests that BaTiO 3 –BiScO 3 ceramics have some advantages compared with conventional capacitor materials for high‐temperature energy storage, and with further improvements in microstructure and composition, could provide realistic solutions for power electronic capacitors.

Microelectromechanical systems (MEMS) incorporating active piezoelectric layers offer integrated actuation, sensing, and transduction. The broad implementation of such active MEMS has long been constrained by the inability to integrate materials with giant piezoelectric response, such as Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O(3)-PbTiO(3) (PMN-PT). We synthesized high-quality PMN-PT epitaxial thin films on vicinal (001) Si wafers with the use of an epitaxial (001) SrTiO(3) template layer with superior piezoelectric coefficients (e(31,f) = -27 ± 3 coulombs per square meter) and figures of merit for piezoelectric energy-harvesting systems. We have incorporated these heterostructures into microcantilevers that are actuated with extremely low drive voltage due to thin-film piezoelectric properties that rival bulk PMN-PT single crystals. These epitaxial heterostructures exhibit very large electromechanical coupling for ultrasound medical imaging, microfluidic control, mechanical sensing, and energy harvesting.

The structural and dielectric properties of (1− x )BaTiO 3 – x BiScO 3 ( x =0–0.5) ceramics were investigated to acquire a better understanding of the binary system, including determination of the symmetry of the phases, the associated dielectric properties, and the differences in the roles of Bi 2 O 3 and BiScO 3 substitutions in a BaTiO 3 solid solution. The solubility limit for BiScO 3 into the BaTiO 3 perovskite structure was determined to be about x =0.4. A systematic structural change from the ferroelectric tetragonal phase to a pseudo‐cubic one was observed at about x =0.05–0.075 at room temperature. Dielectric measurements revealed a gradual change from proper ferroelectric behavior in pure BaTiO 3 to highly diffusive and dispersive relaxor‐like characteristics from 10 to 40 mol% BiScO 3 . Several of the compositions showed high relative permittivities with low‐temperature coefficients of capacitance over a wide range of temperature. Quantification of the relaxation behavior was obtained through the Vogel–Fulcher model, which yielded an activation energy of 0.2–0.3 eV. The attempt characteristic frequency was 10 13 Hz and the freezing temperature, T f , ranged from −177° to −93°C as a function of composition. The high coercive fields, low remanent polarization, and high activation energies suggest that in the BiScO 3 –BaTiO 3 solid solutions, the polarization in nanopolar regions is weakly coupled from region to region, limiting the ability to obtain long‐range dipole ordering in these relaxors under field‐cooled conditions.

Ferroelectric materials are well‐suited for a variety of applications because they can offer a combination of high performance and scaled integration. Examples of note include piezoelectrics to transform between electrical and mechanical energies, capacitors used to store charge, electro‐optic devices, and nonvolatile memory storage. Accordingly, they are widely used as sensors, actuators, energy storage, and memory components, ultrasonic devices, and in consumer electronics products. Because these functional properties arise from a noncentrosymmetric crystal structure with spontaneous strain and a permanent electric dipole, the properties depend upon physical and electrical boundary conditions, and consequently, physical dimension. The change in properties with decreasing physical dimension is commonly referred to as a size effect. In thin films, size effects are widely observed, whereas in bulk ceramics, changes in properties from the values of large‐grained specimens is most notable in samples with grain sizes below several micrometers. It is important to note that ferroelectricity typically persists to length scales of about 10 nm, but below this point is often absent. Despite the stability of ferroelectricity for dimensions greater than ~10 nm, the dielectric and piezoelectric coefficients of scaled ferroelectrics are suppressed relative to their bulk counterparts, in some cases by changes up to 80%. The loss of extrinsic contributions (domain and phase boundary motion) to the electromechanical response accounts for much of this suppression. In this article, the current understanding of the underlying mechanisms for this behavior in perovskite ferroelectrics is reviewed. We focus on the intrinsic limits of ferroelectric response, the roles of electrical and mechanical boundary conditions, grain size and thickness effects, and extraneous effects related to processing. In many cases, multiple mechanisms combine to produce the observed scaling effects.