ACMP 凝聚态物理的进步 1687 - 8124 1687 - 8108 Hindawi出版公司 296419年 10.1155 / 2013/296419 296419年 研究文章 结构性障碍关键无铅压电材料,<我nline-formula> K x N 一个 1 - - - - - - x N b O 3 和<我nline-formula> ( 1 - - - - - - x ) N 一个 0.5 B 我 0.5 T 我 O 3 + x B 一个 T 我 O 3 http://orcid.org/0000 - 0001 - 7271 - 8669 Schiemer 杰森 1、2 威瑟斯 雷 1 刘 云 1 郭 呀 1 易 治国 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 9417 - 7581 王 剑 1 王 丹阳 1 研究化学学院 澳大利亚国立大学 科学之路 阿克顿 0200年法案 澳大利亚 anu.edu.au 2 地球科学系的 剑桥大学 唐宁街 剑桥CB2 3情商 英国 cam.ac.uk 2013年 9 12 2013年 2013年 25 10 2013年 17 11 2013年 2013年 版权©2013杰森Schiemer et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

使用电子衍射,当地的结构行为的趋势<我nline-formula> K x N<我nline-formula> 一个 1 - - - - - - x 注<我nline-formula> O 3 (资讯<我talic> x)和<我nline-formula> ( 1 - - - - - - x ) Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 + x BaTiO 3 (电视台- (<我nline-formula> x BT)系统调查。在资讯、电子衍射显示一个平面的扩散强度垂直于[010]在整个相图,表明沿轴的铁电的存在障碍。额外的漫散射也观察到的模式特点,涉及棒的扩散强度跑步<我nline-formula> One hundred. p * 和<我nline-formula> 001年 p * 钙钛矿子结构和指示的方向对这些轴八面体倾斜障碍。同样,在电视台<我talic> x英国电信系统,棒的扩散强度跑步<我nline-formula> One hundred. p * 钙钛矿子结构的方向观察,再次表明八面体倾斜障碍。Ferroelectric-like障碍也观察到在高度BT掺杂样品,和一个连续变化的“菱形的”结构的电视台“正方”NBT-12BT结构从观察到上层建筑的变化反射特征。晶体化学合理化的这些结果被执行时,结构和性能的影响进行了讨论。

 1。介绍

K x Na 1 - - - - - - x NbO 3 (资讯<我talic> x)被称为一个有前途的无铅压电陶瓷体系时,压电系数相对较高(~ 300 pC / N)和居里温度高达400°C为斋藤等人(2004年 1]。(<我nline-formula> 1 - - - - - - x Na)0.5Bi0.5TiO3+<我talic> xBaTiO3(电视台-<我talic> x英国电信)是同样高的表现。它的原始压电性能在资讯不一样高,~ 160点/ V ( 2),但它可以显示巨大的电致伸缩应变,高达0.48% ( 3),显示承诺与零应变电致伸缩作动器,只要他们是为了占非线性响应。这些材料是为数不多的无铅压电材料在专门的应用程序可与含铅材料竞争。由于其性能,材料的结构如资讯和NBT-BT是相当大的兴趣,以建立组织性能的关系,工程师改进。

在室温下的资讯系统,有长期铁电秩序平面垂直于一个特定的父钙钛矿<我nline-formula> 〈 001年 〉 p (通常采取的方向<我nline-formula> ( 010年 ] p 在资讯方向)。作为长期建立在铁电顺序<我nline-formula> ( One hundred. ] p 和<我nline-formula> ( 001年 ] p 方向,自发极化的方向然后沿着父钙钛矿<我nline-formula> 〈 101年 〉 p 方向,在包体KNbO3,它可能会在资讯相图依旧是不变的,除非有一个出人意料的强劲铁电订购和八面体倾斜旋转之间的耦合。有一个八面体引起的倾斜的模式引入较小的Na+离子在钙钛矿<我nline-formula> 一个 网站的最初不旋转,<我talic> 一个mm2,KNbO3结构类型。根据当前的相图 4),b的发作+的值才会发生倾斜<我nline-formula> x = 0.4 。<我nline-formula> b + 然后报告发生倾斜<我nline-formula> x = 0.4 至0.2,低于它<我nline-formula> 一个 - - - - - - ,<我nline-formula> b + ,<我nline-formula> c - - - - - - 倾斜报告。局部结构的性质并没有仔细检查,如先前的调查涉及使用中子粉末衍射( 5)和x射线( 4, 6),不是很敏感的短程秩序。

NBT- - - - - -- - - - - -- - - - - - - - -BT最初似乎比这更简单的资讯。成员,电视台,菱形的,沿着一个特定的铁电性<我nline-formula> ( 111年 ] p 方向。~ 7%以上BT掺杂,菱形的电视台结构转换度量正方状态当粉末衍射方法观察时,虽然pseudocubic状态存在于“morphotropic阶段边界”这两个阶段之间。此外,这个系统有电场的依赖相变BT掺杂7% ( 7),从pseudocubic度量正方,不可逆转的。

很少的电子衍射或散射散射调查已经在这些系统上执行。这份报告旨在检查障碍存在于这些材料,特别是两个系统之间的相关性和这种疾病的影响结构的决心和属性。

 2。材料和方法

合成的资讯<我talic> x进行样品的成分<我nline-formula> x = 0.15 ,0.21,0.35,0.46和0.75。这是由固态反应<我nline-formula> x = 0.15 ,0.21,0.35,和0.75。试剂是K开始2有限公司3,Na2有限公司3,注2O5。混合和均衡的试剂进行行星球磨机,使用聚合物中钇稳定氧化锆球坦克。试剂是球磨在化学计量比12 h在900°C下丙酮其次是煅烧5 h击退二氧化碳并开始反应形成资讯。球磨和煅烧在900°C被重复的同质性和完整的分解。最后,再次粉末在球磨12 h和压制成20毫米球175 MPa在单轴钢的新闻,其次是烧结在床上散粉的Pt箔,在有盖子的氧化铝坩埚4 h 1030°C的资讯,<我nline-formula> x = 0.15 然而,1110°C,<我nline-formula> x = 0.75 。的<我nline-formula> x = 0.46 样品是由溶胶-凝胶法合成中描述 8]。

电视台,<我talic> xBT陶瓷的成分<我nline-formula> x = 0 ,0.04,0.06,0.07,0.08,0.10和0.12被固态反应合成。这些样本来自同一批次中描述( 9]。试剂是Na开始2有限公司3,Bi2O3,BaCO3,nano-TiO2(~ 20海里)。这些都是球磨5 h在乙醇中,紧随其后的是煅烧2 h的800°C。煅烧粉又球磨2 h和干,紧随其后的是保利(vinylalcohol)粘合剂的加入。这个粉被压制成颗粒与单轴直径13毫米钢出版社在200 MPa。最后,这些颗粒烧结在1150°C 2 h氧化铝坩埚。

的纯度和明显的度量对称合成陶瓷样品进行了x射线粉末衍射(西门子d - 5000、铜辐射和Guinier-Hagg相机,铜K α1辐射),所有样品被发现是纯粹从中学阶段和自由。Guinier-Hagg模式在固态合成资讯收集的样品如图 1下面,而资讯的相关模式46样本和电视台<我talic> x在[BT样品报告 8, 9分别)。电子衍射模式(edp)获得使用飞利浦EM 430和飞利浦30厘米的透射电子显微镜(显微镜)操作在300千伏碎样品粉末分散到多洞的碳涂层,铜网格。

Guinier-Hagg x射线衍射模式的固态反应资讯,只显示预期的perovskite-related山峰。下标“个人电脑”表明pseudocubic索引。

 3所示。结果与讨论 3.1。然而,平均结构

在所有的讨论edp,下标<我nline-formula> p 表示索引是对父母钙钛矿亚晶胞。edp的资讯的函数组成数据所示 2(一个)和 2 (b)。我们开始与不旋转,高<我nline-formula> x 样品,然后考虑时发生的八面体的旋转阶段<我nline-formula> x 减少了。与<我nline-formula> x = 0.75 (见图 2(一个)),没有额外的上层建筑反映,似乎是结构<我talic> 一个mm2、作为KNbO是众所周知的3。然而,微弱的扩散特性,这将在随后讨论。从<我nline-formula> x = 0.46 到<我nline-formula> x = 0.21 ,一个<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 类型发生点,这个点的强度增加和减少钾的内容。一把锋利的<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 111年 ) p 现场出现在<我nline-formula> x = 0.15 (图 2 (b))除了<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 。存在于一个扩散特征<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 111年 ) p 在所有的模式<我nline-formula> x = 0.46 来<我nline-formula> x = 0.21 。弱点翻了一倍<我nline-formula> b 轴中可以看到<我nline-formula> x = 0.15 。

电子衍射模式沿着−3 0<我nline-formula> - - - - - - 1 p 轴的资讯<我talic> x(一)<我nline-formula> x = 0.75 和(b)<我nline-formula> x = 0.15 。

 3.2。NBT-BT平均结构

edp的NBT-BT BT掺杂剂的函数图所示 2(一个)和 2 (b)。我们从“菱形的电视台开始端员和检查上层建筑反映BT。以前的改进建议的结构仍然是菱形的<我nline-formula> x < 0.06 ,pseudocubic在<我nline-formula> 0.06 < 0.07 和正方<我nline-formula> x > 0.07 。考试的衍射模式并不复制这些发现。事实上,“菱形的”之间的强度连续变化<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 111年 ) p 点和“正方”<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 点,这两个存在在某种程度上,即使是在纯粹的电视台。增加了BT内容减少“菱形的“点的强度,增加“正方”点的强度,但也没有完全消失。“正方”峰的宽度也明显高于父母反思,甚至在NBT-12BT。

 3.3。漫散射

在所有资讯edp,单个漫散射面是垂直于观察<我nline-formula> ( 010年 ] 像预期的那样,从单独的无序铁电(斜方晶系的)状态( 11](chevron-headed箭冲反面人物 2(一个)和 2 (b))。这个漫散射表示命令101飞机,铁电性与柱状障碍<我nline-formula> ( 010年 ] 。在电视台,没有见过铁电扩散,再一次,如预期的完全有序的铁电(菱形的)状态。然而,考试从NBT-12BT(图的衍射模式 3 (b))显示飞机的垂直扩散强度<我nline-formula> ( 111年 ] p 沿着这些轴,表明铁电紊乱与破灭的尾巴(chevron-headed箭头),生成的BT。此外,<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , 1 / 2 , ξ ] p * 类型的条纹扩散强度,用chevron-headed箭与坚实的反面,是观察<我nline-formula> 1 / 2 ( 111年 ) p 来<我nline-formula> 1 / 2 ( 110年 ) p 和<我nline-formula> 1 / 2 ( 011年 ) p 在资讯和所有成分<我nline-formula> 1 / 2 ( 111年 ) p 来<我nline-formula> 1 / 2 ( 110年 ) p ,<我nline-formula> 1 / 2 ( 101年 ) p ,并<我nline-formula> 1 / 2 ( 011年 ) p 在NBT-BT。这些一维扩散的棒出现在平面上和分散的“点”(与固体尾solid-headed箭头),来自埃瓦尔德领域切断一个棒的散射强度。然而,这些可以被索引<我nline-formula> G p ± ( ξ , 1 / 2 , 1 / 2 ] p * 或<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , 1 / 2 , ξ ] p * 和NBT-BT<我nline-formula> G p ± ( ξ , 1 / 2 , 1 / 2 ] p * 或<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , 1 / 2 , ξ ] p * 或<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , ξ , 1 / 2 ] p * 。这些影响也产生了明显的“斑点”类型<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , 1 / 2 , 0 ] p * 和<我nline-formula> G p ± ( 1 / 2 , 1 / 2 , 1 / 2 ] p * 模式,可以误导显示没有其他证据表明,“反思”源自扩散棒。在NBT-BT,菱形的”之间的连续运动的强度<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 111年 ) p 点和“正方”<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 现货是伴随着连续扩散条纹之间的所有成分和斑点<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 现货仍然分散,各向异性,即使相对强劲。Denoyer et al。 12)观察裸奔的类型<我nline-formula> G p ± ( ξ , 1 / 2 , 1 / 2 ] p * 在NaNbO3相变在641 K附近,它分配给氧的结构。事实上,这些条纹的方向和位置资讯和NBT-BT建议八面体倾斜双障碍沿着轴,甚至也没有谐波的类型<我nline-formula> G p ± ( 1 , 1 , 2 ξ ] p * / G p ± ( 2 ξ , 1 , 1 ] p * 。

沿着电子衍射模式<我nline-formula> 301年 p 轴在电视台-<我talic> x与(BT)<我nline-formula> x = 0 和(b)<我nline-formula> x = 0.12 。

然而,低钠成分的扩散棒更清晰。这并不令人吃惊,因为KNbO3untilted, NaNbO吗3是高度倾斜,倾斜上升是由于事实<我nline-formula> 一个 网站价和减少<我nline-formula> B 网站价,远小于钠钾。障碍的倾斜让他们改进的零振幅平均结构。倾斜的变化的连续性质资讯意味着没有相边界与铁电极化旋转,已知导致温度独立相边界增强属性。同样在电视台,倾斜障碍很可能源于网站重要的离子大小需求之间的不匹配<我nline-formula> Bi 三世 和一个<我nline-formula> Na 我 离子。“结构上执行债券价金额,Na的价是0.12 v.u。高和Bi 0.60 v.u。低。订购这些离子可以预期,但这可能是由于动能和铁电要求,并没有观察到上层建筑。倾斜的双重障碍如图 4可能发生,与更大的孪晶界站点更容易控制钠离子。NBT-BT中的最后一个问题是关于什么发生在BT添加到电视台,这是有效的<我nline-formula> 英航 二世 的结构,这就需要一个更大的离子空腔比<我nline-formula> Na 我 或<我nline-formula> Bi 三世 。这种效应可能会迫使英航离子占据孪晶界区域,而孪晶界区域能够扩展到多个单元细胞厚度,由于适应英航的驱动力,创建层正方BT-like材料双胞胎之间的菱形的NBT-like材料。

倾斜的双胞胎地区电视台/ NBT-BT显示两个菱形的双胞胎与不同的极化方向会议正方两地区倾斜,由虚线框所示。修改版本的许可复制( 10]。

如果掺杂剂浓度足够高,那么这个孪晶界区域将成为“散装”和菱形的“散装”地区将成为孪晶界,给连续从rhombohedral-like反射转向tetragonal-like反射强度,实验上观察到。这是直接观察NBT-6BT资讯(3% 13),与极地nanoregions<我talic> R3<我talic> c和<我talic> P4<我talic> bm结构的报道。这种基因混合铁电结构诱发疾病的方向观察到从漫散射和可能导致NBT-BT antiferroelectric报道行为和巨大的压力。

 4所示。结论

在这份报告中,我们介绍了当地的结构和障碍NBT-BT和资讯。这次调查显示一个单独的、不受干扰的铁电漫散射面在资讯的所有成分。此外,资讯显示无序八面体倾斜的构图由于钾、钠原子之间的大小不匹配。这种无序倾斜行为锁进一些秩序构成依赖倾斜过渡,但没有分化发生旋转。

NBT- - - - - - - - - - -BT显示也有八面体倾斜障碍成分,但铁电障碍只发生在BT兴奋剂。连续的转移强度的“菱形的”<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 111年 ) p 点“正方”<我nline-formula> G p ± 1 / 2 ( 101年 ) p 发现随着BT内容解释为扩大材料堆垛层错边界地区由于离子英航的大小。这个解释也给NBT-12BT观察铁电紊乱的原因和可能的供应信息的起源高电致伸缩的反应和在NBT-BT antiferroelectric行为。

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