Significantly enhanced dc electrical resistivity and piezoelectric properties of Tb‐modified CaBi 2 Nb 2 O 9 ceramics for high‐temperature piezoelectric applications

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作者
Juan‐Nan Chen,Qian Wang,Xian Zhao,Chun‐Ming Wang
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:105 (7): 4815-4826 被引量:40
标识
DOI:10.1111/jace.18464
摘要

Abstract Bismuth layer–structured ferroelectric calcium bismuth niobate (CaBi 2 Nb 2 O 9 , CBN) is considered to be one of the most potential high‐temperature piezoelectric materials due to its high Curie temperature T c of ∼940°C, but the drawbacks of low electrical resistivity at elevated temperature and low piezoelectric performance limit its applications as key electronic components at high temperature (HT). Herein, we report significantly enhanced dc electrical resistivity and piezoelectric properties of CBN ceramics through rare‐earth element Tb ions compositional adjustment. The nominal compositions of Ca 1− x Tb x Bi 2 Nb 2 O 9 (abbreviated as CBN‐100 x Tb) have been fabricated by conventional solid‐state reaction method. The composition of CBN‐3Tb exhibits a significantly enhanced dc electrical resistivity of 1.97 × 10 6 Ω cm at 600°C, which is larger by two orders of magnitude compared with unmodified CBN. The donor substitutions of Tb 3+ ions for Ca 2+ ions reduce the oxygen vacancy concentrations and increase the band‐gap energy, which is responsible for the enhancement of dc electric resistivity. The temperature‐dependent dc conduction properties reveal that the conduction is dominated by the thermally activated oxygen vacancies in the low‐temperature region (200–350°C) and by the intrinsic conduction in the HT region (350–650°C). The CBN‐3Tb also exhibits enhanced piezoelectric properties with a high piezoelectric coefficient d 33 of ∼13.2 pC/N and a high T c of ∼966°C. Moreover, the CBN‐3Tb exhibits good thermal stabilities of piezoelectric properties, remaining 97% of its room temperature value after annealing at 900°C. These properties demonstrate the great potentials of Tb‐modified CBN for high‐temperature piezoelectric applications.
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