Диэлектрические и пьезоэлектрические свойства перовскитной керамики (Na0.5–xBaBi0.5)TiO3

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучены параметры кристаллической структуры, диэлектрические и локальные пьезоэлектрические свойства керамических твердых растворов (Na0.5–xBaxBi0.5)TiO3 (x < 0.1), модифицированных добавкой CuO. Объем псевдокубической перовскитной ячейки увеличивается с увеличением x. Температура фазовых переходов, определяемая пиками диэлектрической проницаемости, смещается от ~600 до 400 K с увеличением x до 0.04. Повышение эффективного значения локального пьезоэлектрического коэффициента d33, наблюдаемое для образцов с x = 0.08, коррелирует с повышением диэлектрической проницаемости при комнатной температуре, подтверждая положительное влияние модифицирования катионами Ba2+ на функциональные свойства керамики NBT.

About the authors

E. D. Politova

Federal Research Center of Chemical Physics named after N. N. Semenov of the Russian Academy of Sciences

Email: polited47@mail.ru
Kosygina St., 4, Moscow, 119991 Russia

G. M. Kaleva

Federal Research Center of Chemical Physics named after N. N. Semenov of the Russian Academy of Sciences

Email: polited47@mail.ru
Kosygina St., 4, Moscow, 119991 Russia

S. A. Ivanov

Lomonosov Moscow State University

Email: polited47@mail.ru
Lenin Hills, 1, Moscow, 119991 Russia

A. V. Mosunov

Lomonosov Moscow State University

Email: polited47@mail.ru
Lenin Hills, 1, Moscow, 119991 Russia

S. Y. Stefanovich

Lomonosov Moscow State University

Email: polited47@mail.ru
Lenin Hills, 1, Moscow, 119991 Russia

N. V. Sadovskaya

National Research Center 'Kurchatov Institute'

Email: polited47@mail.ru
Leninsky Ave., 59, Moscow, 119333 Russia

T. S. Ilyina

National University of Science and Technology 'MISiS'

Email: polited47@mail.ru
Leninsky Ave., 4, 119049, Moscow, Russia

D. A. Kiselev

National University of Science and Technology 'MISiS'

Author for correspondence.
Email: polited47@mail.ru
Leninsky Ave., 4, 119049, Moscow, Russia

References

  1. Yamamoto T. Ferroelectric Properties of the PbZrO3–PbTiO3 System // Jpn. J. Appl. Phys. 1996. V. 35. P. 5104–5110. https://doi.org/10.1143/JJAP.35.5104
  2. Maeder M.D., Damjanovic D., Setter N. Lead-Free Piezoelectric Materials // J. Electroceram. 2004. V. 13. P. 385–392. https://doi.org/10.1007/s10832-004-ee5130-y
  3. Shrout T.R., Zhang S.J. Lead-Free Piezoelectric Ceramics: Alternatives for PZT? // J. Electroceram. 2007. V. 19. P. 113–126. https://doi.org/10.1007/s10832-007-e 9047-0
  4. Panda P.K. Review: Environmental-Friendly Lead-Free Piezoelectric Materials // J. Mater. Sci. 2009. V. 44. P. 5049–5062. https://doi.org/10.1007/s10853-009- e 3643-0
  5. Coondoo I., Panwar N., Kholkin A. Lead-Free Piezoelectrics: Current Status and Perspectives // J. Adv. Dielectr. 2013. V 3. № 2. 1330002. https://doi.org/10.1142/S2010135X13300028
  6. Hong C.H., Kim H.P., Choi B.Y. et al. Lead-Free Piezoceramics – Where to Move on? // J. Materiomics. 2016. V. 2. № 1. P. 1–24. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2015.12.002
  7. Wei H., Wang H., Xia Y., Dapeng Cui D., Shi Y., Dong M., Liu C., Ding T., Jiaoxia J., Ma Y., Wang N., Wang Z., Sun Y., Wei R., Guo Z. An Overview of Lead-Free Piezoelectric Materials and Devices // J. Mater. Chem. 2018. V. 6. P. 12446–124467. https://doi.org/10.1039/c8tc04515a
  8. Zheng Z., Wu J., Xiao D., Zhu J. Recent Development in Lead-Free Perovskite Piezoelectric Bulk Materials // Progr. Mater. Sci. 2018. V. 98. P. 552–624. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.06.002
  9. Wu J. Perovskite Lead-Free Piezoelectric Ceramics // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. 190901. https://doi.org/10.1063/5.0006261
  10. Смоленский Г.А. Новые сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики // УФН. 1957. Т. 62. Вып. 1. С. 41–69. https://doi.org/10.3367/UFNr.0062.195705b.0041
  11. Vakhrushev S.B., Isupov V.A., Kvyatkovsky B.E., Okuneva N.M., Pronin I.P., Smolensky G.A., Syrnikov P.P. Phase Transitions and Soft Modes in Sodium Bismuth Titanate // Ferroelectrics. 1985. V. 6. P. 153–160. https://doi.org/10.1080/00150198508221396
  12. Tu C.-S., Siny I.G., Schmidt V.H. Sequence of Dielectric Anomalies and High-Temperature Relaxation Behavior in Na1/2Bi1/2TiO3 // Phys. Rev. B. 1994. V. 49. Р. 11550–11559. https://doi.org/10.1103/physrevb.49.11550
  13. Suchanicz J. The Low-Frequency Dielectric Relaxation Na0.5Bi0.5TiO3 Ceramics // Mater. Sci. Eng. B. 1998. V. 55. P. 114–118. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(98)00188-3
  14. Gorfman S., Thomas P.A. Evidence for a Non-Rhombohedral Average Structure in the Lead-Free Piezoelectric Material Na0.5Bi0.5TiO3 // J. Appl. Crystallogr. 2010. V. 43. P. 1409–1414. https://doi.org/10.1107/S002188981003342X
  15. Aksel E., Forrester J.S., Kowalski B., Jones, J.L., Thomas P.A. Phase Transition Sequence in Sodium Bismuth Titanate Observed Using High-Resolution X-ray Diffraction // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. 222901. https://doi.org/10.1063/1.3664393
  16. Shvartsman V.V., Lupasku D.L. Lead-Free Relaxor Ferroelectrics // J. Am. Ceram. Soc. 2012 V. 95 (1). P. 1–26. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04952.x
  17. Политова Е.Д., Мосунов А.В., Стребков Д.А., Голубко Н.В., Калева Г.М., Логинов Б.А., Логинов А.Б., Стефанович С.Ю. Особенности фазообразования и фазовые переходы в нестехиометрических керамиках титаната натрия-висмута // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 7. С. 785–789. https://doi.org/10.7868/S0002337X18070205
  18. Politova Е.D., Mosunov А.V., Strebkov D.А., Strebkov D.A., Golubko N.V., Kaleva G.M., Sadovskaya N.V., Stefanovich S. Yu. Phase Transitions, Ferroelectric and Relaxor Properties of Nonstoichiometric NBT Ceramics // Ferroelectrics. 2019. V. 538. P. 120–125. https://doi.org/10.1080/00150193.2019.1569994
  19. Politova E.D., Strebkov D.A., Belkova D.A., Kaleva G.M., Golubko N.V., Mosunov A.V., Sadovskaya N.V., Panda P.K. Relaxation Effects in Nonstoichiometric NBT-based Ceramics // Defect Diffusion Forum. 2019. V. 391. P. 95–100. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF. 391.95
  20. Suchanicz J., Kluczewska-Chmielarz K., Sitko D., Jaglo G. Electrical Transport in Lead-Free Na0.5Bi0.5TiO3 Ceramics // J. Adv. Ceram. 2021. V. 10 (1). P. 152–165. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0430-5
  21. Takenaka T., Maruyama K.-I., Sakata K. (Bi1/2Na1/2) TiO3–BaTiO3 System for Lead-Free Piezoelectric Ceramics // Jpn. J. Appl. Phys. 1991. V. 30. Р. 236. https://doi.org/10.1143/JJAP.30.2236
  22. Chu B.J., Chen D.R., Yin G.L. Electrical Properties of Na1/2Bi1/2TiO3–BaTiO3 Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2002. V. 22 (13). P. 2115–2121. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00027-4
  23. Suchanicz J., Kusz J., Böhm H., Stopa G. Structural and Electric Properties of (Na0.5Bi0.5)0.88Ba0.12TiO3 // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 7827–7831. https://doi.org/10.1007/s10853-007-1635-5
  24. Xu C., Lin D., Kwok K.W. Structure, Electrical Properties and Depolarization Temperature of (Bi0.5Na0.5) TiO3–BaTiO3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics // Solid State Sci. 2008. V. 10 P. 934–940. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007. 11.003
  25. Ma C., Tan X., Dul’kin E., Roth M. Domain Structure-Dielectric Property Relationship in Lead-Free (1 – x) Bi1/2Na1/2TiO3–xBaTiO3 Ceramics // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. 104105. https://doi.org/10.1063/1.3514093
  26. Cordero F., Craciun F., Trequattrini F., Galass C. Phase Transitions and Phase Diagram of the Ferroelectric Perovskite (Na0.5Bi0.5)1–xBaxTiO3 Anelastic and Dielectric Measurements // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. 144124. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.144124
  27. Rao K.S., China K., Rajulu V., Tilak B., Swathi A. Effect of Ba2+ in BNT Ceramics on Dielectric and Conductivity Properties // Nat. Sci. 2010. V. 2 (4). P. 357–367. https://doi.org/ 10.4236/ns.2010.24043
  28. Eerd B.W., Damjanovic D., Klein N., Setter N., Trodahl J. Structural Complexity of (Na0.5Bi0.5) TiO3–BaTiO3 as Revealed by Raman Spectroscopy // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. 104112. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.82.104112
  29. Parija B., Badapanda T., Panigrahi S., Sinha T.P. Ferroelectric and Piezoelectric Propieties of (1 – x)(Bi0.5Na0.5) TiO3–xBaTiO3 Ceramics // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2013. V. 24 (1). P. 402–410. https://doi.org/10.1007/s10854-012-0764-z
  30. Jo W., Daniels J., Damjanovic D., Kleemann W., Rodel J. Two-Stage Processes of Electrically Induced-Ferroelectric to Relaxor Transition in 0.94(Bi1/2Na1/2) TiO3–0.06BaTiO3 // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. 192903. https://doi.org/10.1063/1.4805360
  31. Lidjici H., Khemakhem H. Morphotropic Phase Boundary in (Na0.5Bi0.5) TiO3–BaTiO3 Lead-Free System: XRD and Raman Spectroscopy Studies // Ceramics-Silikaty. 2016. V. 60 (3). P. 205–209. https://doi.org/10.13168/cs.2016.0031
  32. Machado R., dos Santos V.B., Ochoa D.A., Cerdeiras E., Mestres L., Garcia J.E. Elastic, Dielectric and Electromechanical Properties of (Bi0.5Na0.5) TiO3–BaTiO3 Piezoceramics at the Morphotropic Phase Boundary Region // J. Alloys Compd. 2017. V. 690. P. 568–574. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.116
  33. Политова Е.Д., Калева Г.М., Голубко Н.В., Мосунов А.В., Садовская Н.В., Белькова Д.А., Стребков Д.А., Стефанович С.Ю., Киселев Д.А., Кислюк А.М. Физико-химические основы создания новых титанатов со структурой перовскита // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 6. С. 947–952. https://doi.org/10.1007/978-3-031-11397-0_4
  34. Политова Е.Д., Калева Г.М., Голубко Н.В., Мосунов А.В., Садовская Н.В., Белькова Д.А., Стефанович С.Ю. Особенности структуры и свойств высокотемпературных оксидных материалов на основе титаната натрия-висмута // Кристаллография. 2018. Т. 63. № 2. С. 288–292. https://doi.org/10.7868/S0023476118020212
  35. Политова Е.Д., Стребков Д.А., Мосунов А.В., Голубко Н.В., Калева Г.М., Садовская Н.В., Стефанович С.Ю. Сегнетоэлектрические фазовые переходы в нестехиометричных керамиках титаната натрия-висмута // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2018. Т. 82. № 3. С. 312–315. https://doi.org/10.7868/S0367676518030109
  36. Gul M., Gurbiz M., Gokceyrek A.B., Toktas A., Kavas T., Dogan A. Influence of Particle Size and Sintering Temperature on Electrical Properties of 0.94Na0.5Bi0.5TiO3–0.06BaTiO3 Lead-Free Ceramics // Arch. Metall. Mater. 2020. V. 65 (2). P. 609–614. https://doi.org/ 10.24425/amm.2020.132799
  37. Hiruma Y., Watanabe Y., Nagata H., Takenaka T. Phase Transition Temperatures of Divalent and Trivalent Ions Substituted (Bi1/2Na1/2) TiO3 Ceramics // Key Eng. Mater. 2007. V. 350. P. 93–96. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM. 350.93
  38. Ehmke M., Glaum J., Jo W., Granzow T. Stabilization of the Fatigue-Resistant Phase by CuO Addition in (Bi1/2Na1/2) TiO3–BaTiO3 // J. Am. Ceram. Soc. 2011. V. 94 (8). P. 2473–2478. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.04379.x
  39. Bail A.L., Bail D.L., Louër D. Smoothing and Validity of Crystallite-Size Distributions from X-Ray Line-Profile Analysis // J. Appl. Crystallogr. 1978. V. 11. P. 50–55. https://doi.org/10.1107/S0021889878012662
  40. Журов В.В., Иванов С.А. PROFIT – программа обработки данных порошкового дифракционного эксперимента для IBM PC с графическим интерфейсом пользователя // Кристаллография. 1997. Т. 42. № 2. С. 239–243. https://doi.org/ 10.1038/s41598-021-02782-2

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».