The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO3 ceramics

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作者
Xiaoyi Gao,Zhenxiang Cheng,Zibin Chen,Yao Liu,Xiangyu Meng,Xu Zhang,Jianli Wang,Qinghu Guo,Bei Li,Huajun Sun,Qinfen Gu,Hua Hao,Qiang Shen,Jinsong Wu,Xiaozhou Liao,Simon P. Ringer,Hanxing Liu,Lianmeng Zhang,Wen Chen,Fei Li,Shujun Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:149
标识
DOI:10.1038/s41467-021-21202-7
摘要

Abstract (K,Na)NbO 3 based ceramics are considered to be one of the most promising lead-free ferroelectrics replacing Pb(Zr,Ti)O 3 . Despite extensive studies over the last two decades, the mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO 3 ceramics has not been fully understood. Here, we combine temperature-dependent synchrotron x-ray diffraction and property measurements, atomic-scale scanning transmission electron microscopy, and first-principle and phase-field calculations to establish the dopant–structure–property relationship for multi-elements doped (K,Na)NbO 3 ceramics. Our results indicate that the dopants induced tetragonal phase and the accompanying high-density nanoscale heterostructures with low-angle polar vectors are responsible for the high dielectric and piezoelectric properties. This work explains the mechanism of the high piezoelectricity recently achieved in (K,Na)NbO 3 ceramics and provides guidance for the design of high-performance ferroelectric ceramics, which is expected to benefit numerous functional materials.
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