The asymptotic problem of a semi-infinite conducting crack parallel to the poling direction in ferroelectric ceramics subjected to electric fields is analyzed. The main mechanism for the conducting crack growth behavior is thought to be ferroelectric domain switching leading to the development of a process zone around the crack. The shape and size of the switching zone is shown to depend strongly on the relative magnitude on the ratio of the coercive electric field to the yield electric field. It is shown that the crack growth can be either enhanced or retarded depending on the ratio of the coercive electric field to yield electric field.
To develop the piezoelectric actuator, the structural, dielectric and piezoelectric properties and electric fieldinduced strain of the ceramics(Pb$\_$1-2/Ba$\_$x/)[Mg$\_$1/2/W$\_$1/2/)$\_$0.03/-Ni$\_$1/3/Nb$\_$2/3/)$\_$0.12/-(Zr$\_$0.5/Ti$\_$0.5/)$\_$0.85/]O$_3$(x=0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.1) were investigated with the substitution of Ba. The tetragonality of crystal structure and grain size decreased by the substitution of Ba. Curie temperature decreased due to the decrease of the tetragonality, and dielectric constants increased with the substitution of Ba. The coercive field, remnant polarization and electromechanical coupling factor also decreased, whereas the piezoelectric constatns d$\_$33/ and d$\_$31/ were showed the highest value of 430 and 209(x10$\^$-12/C/N), respectively, because of the increase of dielectric constant. The strain induced by 60Hz AC electric field had the maximum value of 204x10$\^$-6/Δℓ/ℓ at the substitution of Ba 3mol%. As the applied electric field approaches to the coercive field, the piezoelectric element is depolarized and the electric field induced strain revealed non-linearity.
Domain switching effect on crack growth in ferroelectric ceramics under combined electric and mechanical loading is investigated. The shape and size of the switching zone is shown to depend strongly on the relative magnitude between the applied electric field and stress field as well as on the ratio of the coercive electric field to the yield electric field. The toughening mechanism is thought to be ferroelectric domain switching leading to the development of a process zone around the crack. Crack-tip stress intensity factor induced by domain switching for the steady state crack growth is numerically obtained.
A crack in a ferroelectric ceramic subjected to an electric field is analyzed. The boundary of the electrical saturation zone is estimated based on the finite-width saturation zone model, which is analogous to a finite-width Dugdale zone model for mode III. It is shown that the shape and size of the switching zone depends strongly on the boundary of the electrical saturation zone and the ratio of the coercive electric field to the yield electric field. The crack tip stress intensity factor under small scale conditions is evaluated by employing the model of electric nonlinear domain switching. It is found that fracture toughness of the ferroelectric material may be increased or decreased depending on the material property of electrical nonlinearity.
본 연구에서는 강유전성 고분자를 이용하여 제작된 100 nm 이하 두께를 가지는 박막형 커페시터의 측정 주파수에 따른 분극 반전 특성을 측정, 분석하였다. 고정된 박막 두께에 대해, 인가되는 최고 전기장의 세기가 증가할수록 더 높은 항전계에서 분극 반전이 발생되었다. 고정된 최고 전기장에 대해, 박막의 두께에 무관하게 같은 항전계에서 분극 반전이 발생되었다. 모든 측정에서 로그스케일 전기장 및 로그스케일 주파수의 관계에서 약 $0.12{\pm}0.01$의 비례 상수를 보였다. 결과적으로, 강유전체 고분자 커페시터가 40 nm 두께까지는 size effect 없이 일정한 분극 반전 특성을 보였다. 본 연구는 저전압 동작 고분자 메모리 소자의 동작 예측에 유용할 것이므로 저전압에서 동작 가능한 고분자 메모리 소자의 가능성을 보여준다.
Electron emission from the Pb(ZrxTi1-x)O3 ferroelectrics by pulsed electric field has been investigated as a function of Zr/Ti ratios such as 35/65, 50/50 and 65/35 below 250kV/cm. Electrons were emitted regardless of the applied field polarity to the rear electrode. When the negative field was applied to the rear electrode, the electron emission charge was more stable. It was proved that the electrons were emitted at the edge of the upper electrode. The emission charge increased in order of 65/35>50/50>35/65. The electron emission characteristics were dependent on the ferroelectric properties such as polarization and coercive field. The emission charge and emission threshold field were affected by the polarization change and the coercive field, respectively. This result explains that the electron emission is a field emission with polarization induced surface potential by a modified Fowler-Nordheim plot of emission charge.
Effect of transverse electric field on crack kinking in ferroelectric ceramics subjected to purely electric loading is investigated. It is shown that the shape and size of the domain switching zone depends strongly on the direction of the applied electric field as well as the ratio of the transverse electric field to the coercive electric field. Under small-scale conditions, mode I and II stress intensity factors induced by ferroelectric domain switching are numerically obtained. The crack kinking in ferroelectrics is also discussed.
Three types of piezoelectric single crystals [PMN-PT (Generation I $[Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbTiO_3]$), PMN-PZT (Generation II $[Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-Pb(Zr,Ti)O_3]$), PMN-PZT-Mn (Generation III)] were grown by the solid-state single crystal growth (SSCG) method, and their dielectric and piezoelectric properties were measured and compared. Compared to (001) PMN-PT and PMN-PZT single crystals, the (001) PMN-PZT-Mn single crystals exhibited a higher transition temperature between the rhombohedral and tetragonal phases ($T_{RT}=144^{\circ}C$), as well as a higher coercive electric field ($E_C=6.3kV/cm$) and internal bias field ($E_I=1.6kV/cm$). The (011) PMN-PZT-Mn single crystals showed the highest coercive electric field ($E_C=7.0kV/cm$), and the highest stability of $E_C$ and $E_I$ during 60 cycles of polarization measurement. These results demonstrate that both Mn doping (for higher electromechanical quality factor ($Q_m$)) and a (011) crystallographic orientation (for higher coercive electric field and stability) are necessary for high power transducer applications of these piezoelectric single crystals. Specifically, the (011) PMN-PZT-Mn single crystal (Gen. III) had the highest potential for application in the fields of SONAR transducers, high intensity focused ultrasound (HIFU), ultrasonic motors, and others.
The Sr$\sub$0.8/Bi$\sub$2.4/Ta$_2$O$\sub$9/(SBT) thin films are deposited on Pt-coated electrode(Pt/TiO$_2$/SiO$_2$/Si) using RF magnetron sputtering method. With increasing annealing tempera ture from 600[$^{\circ}C$] to 850[$^{\circ}C$], Bi-layered perovskite phase was crystallized above 650[$^{\circ}C$]. The maximum remanent polarization and the coercive electric field is 11.60[${\mu}$C/$\textrm{cm}^2$], 48[kV/cm] respectively. The dielectric constant and leakage current density is 213, 1.01${\times}$10$\^$-8/ A/$\textrm{cm}^2$ respectively at annealing temperature of 750[$^{\circ}C$].
Effect of transverse electric fields on fracture behavior in ferroelectric ceramics under purely electrical loading is investigated. It is shown that the shape and size of the domain switching zone depend strongly on the ratio of the transverse electric field to the coercive electric field as well as the direction of the applied electric field. Under small-scale conditions, the crack-tip mode I and II stress intensity factors induced by ferroelectric domain switching are numerically obtained. The crack kinking in ferroelectric ceramics is also discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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