This study examined the dependency of crystalline orientation and electric properties of sol-gel PZT film on hydrolysis, a $PbTiO_3$ seed layer and a concentration of sol-gel solution. The PZT thin films were prepared by using 2-Methoxyethanol-based sol-gel method and spin-coating on Pt/Ti/$SiO_2$/Si substrates. The 1-${\mu}m$-thick PZT films were coated and then fired in a furnace by direct insert method. The highly (111) oriented PZT film of pure perovskite structure could be obtained. We could control the degree of orientation by various parameters such as hydrolysis, a $PbTiO_3$ seed layer and a concentration of sol-gel solution. The highest measured remanent polarization, dielectric constant and piezoelectric coefficient are $24.16\;{\mu}C/cm^2$, 2808, and 159 pC/N, respectively.
In this present paper, a semi-analytical mesh-free method is employed for the three-dimensional free vibration analysis of a bi-directional functionally graded piezoelectric circular structure. The dependent variables have been expanded by Fourier series with respect to the circumferential direction and have been discretized through radial and axial directions based on the mesh-free shape function. The current approach has a distinct advantage. The nonlinear Green-Lagrange strain is employed as the relationship between strain and displacement fields to observe thermal impacts in stiffness matrices. Nevertheless, high order terms have been neglected at the final steps of equations driving. The material properties are assumed to vary continuously in both radial and axial directions simultaneously in accordance with a power law distribution. The convergence and validation studies are conducted by comparing our proposed solution with available published results to investigate the accuracy and efficiency of our approach. After the validation study, a parametric study is undertaken to investigate the temperature effects, different types of polarization, mechanical and electric boundary conditions and geometry parameters of structures on the natural frequencies of functionally graded piezoelectric circular structures.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.34
no.5
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pp.382-385
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2021
Electrical poling is a crucial step to convert ferroelectrics to piezoelectrics. Nevertheless, no systematic investigation on the effect of poling has been reported. Given that the poling involves an alignment of spontaneous polarization, the condition for poling should be different when a material has an internal bias field that influences the domain stability. Here, we present the effect of poling profile on the dielectric and piezoelectric properties in Mn-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-29 mol%PbTiO3 single crystal with an internal bias field. We showed that both the dielectric permittivity and the piezoelectric coefficient were further enhanced when the poling procedure ends with a field application along the opposite direction to the internal bias field. We expect that the current finding would give a clue to understanding the true mechanism for the electrical poling.
A poled lead zirconate titanate (PZT) cube specimen is subjected to impulse-type compressive stress with increasing magnitude in parallel to the poling direction at four room and high temperatures. During the ferroelastic domain switching induced by the compressive stress, electric displacement in the poling direction and longitudinal and transverse strains are measured. Using the measured responses, linear material properties, namely, the piezoelectric and elastic compliance coefficients, are evaluated by a graphical method, and the effects of stress and temperature are analyzed. Finally, the dependency of the evaluated linear material properties on relative remnant polarization is analyzed and discussed.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2003.11a
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pp.313-316
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2003
The lead zirconate titanate, $Pb(Zr_{0:52}Ti_{0:48})O_3$, films of $0.5\;{\mu}m,\;1\;{\mu}m$ and $2\;{\mu}m$ thickness were fabricated on $Pt/Ti/SiO_2/Si$ substrate by the rf magnetron sputtering method. The PZT films were annealed using by a rapid thermal annealing (RTA) method. The thickness dependence of the film structure, dielectric properties, Polarization-electric field hysteresis loops and capacitance-voltage characteristics were investigated over the thickness range of $0.5\;{\mu}m,\;1\;{\mu}m$ and $2\;{\mu}m$. According to the XRD patterns of the films, (110) peak intensity increases with film thickness increased. The increase of PZT films thickness leads to the decrease of the remanent polarization and the dielectric constant.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.3
no.1
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pp.42-45
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2002
Properties of lead zirconate titanate ferroelectric thin films prepared by rapid thermal annealing/direct insertion thermal annealing were investigated. The remnant polarization (Pr), saturation polarization (Ps), and coercive force (Ec) of typical samples annealed by rapid thermal annealing (RTA) are about 13.7 $\mu$ C/cm$^2$, 27.1 $\mu$C/cm$^2$, and 55.6 kV/cm, respectively. The dielectric constant of the sample is about 786, the dielectric loss tangent is about 2.4% at 1 kHz. Furthermore, ferroelectric, conduction, and piezoelectric properties of the thin films annealed by RTA process and the direct insertion thermal annealing (DITA) process were compared. The influence of temperature in the dry process on the above properties was also investigated.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.30
no.3
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pp.157-161
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2017
$(1-x)Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3-xLaFeO_3$ ceramics were fabricated using a solid state reaction method. The microstructural, ferroelectric and piezoelectric properties were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), and polarization hysteresis loops (P-E). XRD results indicated that BNKT ceramic crystal structure modified by $LaFeO_3$ was transformed from a ferroelectric tetragonal to a non-polar pesudo-cubic phase with increased $LaFeO_3$ content. The improved piezoelectric properties resulted from the addition of $LaFeO_3$ up to 3 mol%. The $LaFeO_3$ 3mol% sample showed markedly improved piezoelectric and strain behaviors in comparison with pure BNKT ceramic.
Abnormally large electromechanical strain properties have been reported in bismuth-based piezoelectric ceramics, which cast a promise for replacing the market-dominating PZT-based piezoelectric ceramics in actuator applications. In spite of these large strains in bismuth-based piezoelectric ceramics, there still remains a critical issue for its safe transfer to practical applications, representatively, a relatively high operating field required to obtain the large strain properties. To overcome the challenge, much attention has been paid to so-called 0-3(or 3-0) type ceramic/ceramic composite approach to better tailoring the strain properties of bismuth-based piezoelectric ceramics. The approach turns out to be highly effective, leading to a drastic decrease in the operating electric field for these materials. Besides, both extensive and intensive search for the related mechanism revealed that the reduction in the operating electric field is largely due to the contribution from polarization coupling or strain coupling model between two different ceramics. This article reviews the status of the art in the development of novel ceramic/ceramic composites to make large incipient piezostrains in bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics practical.
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.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.13
no.3
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pp.214-219
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2000
In this paper the structural dielectric and piezoelectric properties of Pb[(M $g_{1}$2// $W_{1}$2/)$_{x}$-(N $i_{1}$3//N $b_{2}$3/)$_{0.15-x-(Zr_{0.5})}$$Ti_{0.5}$)$_{0.85}$] $O_3$ (x=0.0~0.10) ceramic were investigated with the substitution of Pb(M $g_{1}$2// $W_{1}$2/) $O_3$. According to the substitution of Pb(M $g_{1}$2//W/1/2/) $O_3$ curie temperatures were slightly decrease due to the decrease of the tetrag-onality of crystal structure and coercive fields were decreased. Up to the substitution of Pb(M $g_{1}$2// $W_{1}$2/) $O_3$ 3mol%,remnant polarization dielectric constant piezoelectric constant were increased. Dielectric constant and electro-mechanical coupling factor( $k_{p}$, $k_{31}$ ) were appeared the highest value of 2230, 0.64, and 0.38 and piezoelectric constant( $d_{33}$ , $d_{31}$ ) was the largest value of 418, 202($\times$10$^{-12}$ /C/N), respectively, when the substitution amount of Pb(M $g_{1}$2// $W_{1}$2/N) respectively, when the substitution amount of Pb(M $g_{1}$2// $W_{1}$2/) $O_3$ was 3mol%.s 3mol%.%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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