Ferroelectric-to-relaxor transition and ultrahigh electrostrictive effect in Sm3+-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 ferroelectrics ceramics

材料科学 电致伸缩 铁电性 电介质 兴奋剂 压电系数 陶瓷 压电 相变 磁滞 介电常数 分析化学(期刊) 凝聚态物理 复合材料 光电子学 物理 化学 色谱法
作者
Yunyao Huang,Leiyang Zhang,Wenjing Shi,Qingyuan Hu,V. Ya. Shur,Xiaoyong Wei,Li Jin
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:165: 75-84 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.04.046
摘要

Rare-earth Sm3+-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.25PbTiO3 (PMN-0.25PT) ferroelectric ceramics with doping amounts between 0%–3% were developed via a conventional solid-state method. The doping effect of Sm3+ ions on the PMN-0.25PT matrix was systematically investigated on the basis of the phase structure, temperature-dependent dielectric, ferroelectric, and electrotechnical properties. Due to the disruption of long-range ferroelectric order, the addition of Sm3+ ions effectively lowers the Tm (temperature corresponding to maximum permittivity) of the samples, leading to enhanced relaxor ferroelectric (RFE) characteristic and superior electric field-induced strain (electrostrain) properties at room temperature. Intriguingly, a considerable large-signal equivalent piezoelectric coefficient d33* of 2376 pm/V and a very small hysteresis were attained in the PMN-0.25PT component doped with 2.5 mol.% Sm3+. The findings of piezoelectric force microscopy indicate that the addition of Sm3+ increases the local structural heterogeneity of the PMN-0.25PT matrix and that the enhanced electromechanical performance is due to the dynamic behavior of polar nanoregions. Importantly, strong temperature-dependent electrostrain and electrostrictive coefficient Q33 are observed in the critical region around Tm in all Sm3+-modified PMN-0.25PT ceramic samples studied. This work elucidates the phase transition behavior of Sm3+-doped PMN-0.25PT and reveals a critical region where electrostrictive properties can be greatly improved due to a strong temperature-dependent characteristic.
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