Concurrently Enhanced Piezoelectric Performance and Curie Temperature in Stressed Lead-free BCTZ Ceramics

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作者
Zhenxiang Cheng,Yuanhui Su,Qingying Wang,Yu Huan,Jianli Wang,Wei Sun,Yongjun Li,Tao Wei
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-5601097/v1
摘要

Abstract Eco-friendly, lead-free BaTiO3-based piezoelectric materials play a crucial role in advancing sustainable electronic applications. Improving piezoelectric properties in lead-free piezoelectric ceramics often involves a trade-off with Curie temperature (TC) due to various performance metrics. In this study, we implemented an innovative stress engineering approach by introducing a secondary phase BaAl2O4. This method simultaneously enhances both TC and the piezoelectric coefficient (d33) in (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BCTZ) ceramics. The difference in thermal expansion coefficients between BCTZ and BaAl2O4 induces internal stress within the BCTZ matrix, leading to significant lattice distortion and altering the phase fractions of BCTZ, which improves both TC and the d33. Additionally, the local electric field at the interface of BCTZ and BaAl2O4, along with the incorporation of Al3+ in ABO3 lattice, contribute to the enhanced d33. Notably, the optimized BCTZ ceramics exhibit an exceptionally high d33 of 650 ± 16 pC N−1, d33* of 1070 pm V−1, and TC of 96.5 ± 1.0 oC, placing it at the forefront of lead-free BT-based piezoelectric materials. This study underscores the effectiveness of bulk stress engineering via a secondary phase for enhancing lead-free piezoelectric ceramics, paving the way for developing high-performance piezoelectric ceramics suitable for a wide range of temperature applications.

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