New Degree of Freedom in Determining Superior Piezoelectricity at the Lead-Free Morphotropic Phase Boundary: The Invisible Ferroelectric Crossover

压电 材料科学 铁电性 相界 凝聚态物理 相(物质) 电介质 复合材料 光电子学 物理 量子力学
作者
Le Zhang,Luo Zhao,Liqiang He,Dong Wang,Yao Sun,Danyang Wang,Xiaojie Lou,Lixue Zhang,Michael A. Carpenter
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 1434-1442 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.1c19856
摘要

The morphotropic phase boundary (MPB) in lead-free ferroelectrics, starting from a quadruple point (QP), often displays large piezoelectric responses due to the flattened free-energy profiles. In this work, we found that the QP composition rendering most flattened energy profiles could also exhibit abnormally low piezoelectric constants in Hf-doped BaTiO3. Such an anomaly in the strength of piezoelectricity can be ascribed to the progressive influence of additional strain heterogeneity induced by the substitution of Hf4+ for Ti4+ in BaTiO3, which was overlooked previously. An intermediate level of strain heterogeneity can form an invisible ferroelectric crossover consisting of both micro- and nanodomains, resulting in a large elastic softening and high piezoelectricity. With a further increase in the level of strain heterogeneity, the extinction of regular ferroelectric domain structures and pinned polar dynamics resulted in the feeble piezoelectric outputs near the QP composition. Impressively, a giant d33 of ∼610 pC/N has been accordingly obtained through employing a ferroelectric crossover at off-QP composition in Zr-doped BaTiO3, further underpinning the critical role of uncovered ferroelectric crossover on piezoelectricity along MPB. This work offers another degree of freedom in the design of high-performance eco-friendly piezoelectric ceramics.
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