Highly Tunable Multifunctional BaTiO3-Based Ferroelectrics via Site Selective Doping Strategy

材料科学 电致伸缩 铁电性 掺杂剂 兴奋剂 居里温度 电介质 相变 极化(电化学) 电场 光电子学 纳米技术 凝聚态物理 压电 复合材料 物理化学 铁磁性 物理 化学 量子力学
作者
Yanli Huang,Chunlin Zhao,Shizhao Zhong,Jiagang Wu
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:209: 116792-116792 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2021.116792
摘要

Electric-field-driven polarization in ferroelectrics delivers extraordinary electro-caloric, electro-optic, and electromechanical properties, etc. However, the controllable multifunctional ferroelectric switching between different electro-related performances still faces great challenges and deserves study. Herein, multifunctional BaTiO3 (BT)-based ferroelectrics are conceived tuning electrocaloric and electrostrictive properties by controlling doping site of dopants, namely site selective doping strategy. The well-concerned Ce is selected for its multivalent trait (Ce3+/Ce4+) and effective adjustment of Curie temperature (TC) in BT. Guided by the distinguished dielectric characteristics via doping Ce3+ in Ba site or Ce4+ in Ti site, BT-based ferroelectrics can direct at different applications. For Ba-site doping, in conjunction with ion-size mismatch effect and defect engineering, manipulating TC to room temperature (RT) and driving second-order-like phase transition are obtained simultaneously. Then, large electrocaloric temperature change (∆Tmax=1.3 K) over a broad temperature span (∆T>1 K, 37~70 ℃) is achieved, which is crucial in developing zero-global-warming-potential refrigeration near RT. For Ti-site doping, unique diffuse phase transition is observed without sacrificing TC, leading to multiphase structures and the formation of nanosize domains, hence facilitating polarization rotation. Therefore, an enhanced electrostrictive strain (S>0.17%) with ultra-low hysteresis (Hhyst<5%) among a wide temperature range is obtained, which challenges toxic lead-contained counterparts in actuators.

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