Kamlah-etal Spie2001 4333

8/10/2019 Kamlah-etal Spie2001 4333

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R a t e D e p e n d e n c e o f S o f t P Z T C e r a m i c s u n d e r E l e c t r i c F i e l d L o a d i n g

D a y u Z h o u , M a r c K a m l a h a n d D i e t r i c h M u n z

F o r s c h u n g s z e n t r u m K a r i s r u h e , I n s t i t u t f r M a t e r i a l f o r s c h u n g I I , D - 7 6 0 2 1 K a r i s r u h e , G e r m a n y

A B S T R A C T

P o l a r i z a t i o n a n d l o n g i t u d i n a l s t r a i n o f t h e c o m m e r c i a l s o f t P Z T p i e z o c e r a m i c P l C 1 5

1

w e r e m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f

a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y o f a n A C e l e c t r i c f i e l d . T h e r a n g e o f f r e q u e n c i e s c o n s i d e r e d w a s s e l e c t e d i n t h e q u a s i - s t a t i c r a n g e

f r o m 0 . 0 1 H z t o 1 . 0 H z . T h e e l e c t r i c f i e l d w a s s e l e c t e d a s t r i a n g u l a r l o a d i n g . B e s i d e s t h e s t a n d a r d h y s t e r e s i s l o o p s f o r

p o l a r i z a t i o n ( P ) a n d s t r a i n ( S ) v e r s u s e l e c t r i c f i e l d ( E ) , s t r a i n v e r s u s p o l a r i z a t i o n c u r v e s ( S - P c u r v e s ) w e r e p l o t t e d i n

s e p a r a t e d i a g r a m s . I t w a s s h o w n t h a t b o t h p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w e r e f r e q u e n c y d e p e n d e n t . T h e c o e r c i v e f i e l d i n c r e a s e d

w i t h t h e l o a d i n g f r e q u e n c y . F u r t h e r m o r e , a s i g n i f i c a n t h y s t e r e s i s w a s o b s e r v e d f o r S - P c u r v e s a t a l o a d i n g f r e q u e n c y b e l o w

1 H z . A t a f r e q u e n c y o f I H z , h o w e v e r , t h e S - P p l o t s w e r e n e a r l y c l o s e t o a n i d e a l i z e d p a r a b o l i c c u r v e w i t h o u t h y s t e r e s i s . A

t e n t a t i v e e x p l a n a t i o n s h a l l b e g i v e n f o r t h e s e o b s e r v a t i o n s i n t e r m s o f t h e r a t e e f f e c t s o f t h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s .

K e y w o r d s : s o f t P Z T , p o l a r i z a t i o n , s t r a i n , r a t e d e p e n d e n c e , d o m a i n s w i t c h i n g

1 . I N T R O D U C T I O N

L e a d z i r c o n a t e t i t a n a t e ( P Z T ) p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c s p r o v i d e e x c e l l e n t e l e c t r o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h a t m a k e t h e m v e r y

a t t r a c t i v e f o r a p p l i c a t i o n s i n e l e c t r o m e c h a n i c a n d e l e c t r o a c o u s t i c t r a n s d u c e r s . I m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s a r e a c t u a t o r s , a c t i v e

d a m p i n g , p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g , s t r u c t u r e c o n t r o l , a n d n o i s e c o n t r o l [ 1 ] .

T w o b a s i c t y p e s o f p o l y c r y s t a l l i n e P Z T a r e d i s t i n g u i s h e d , t h e y a r e c o m m o n l y c a l l e d s o f t a n d h a r d . I n g e n e r a l , h i g h -

v a l e n t s u b s t i t u e n t s i n d u c e s o f t p i e z o c e r a m i c b e h a v i o r , w h e r e a s l o w e r - v a l e n t o n e s i n d u c e h a r d b e h a v i o r . S o f t f e r r o e l e c t r i c s

h a v e l o w e r c o e r c i v e f i e l d s , h i g h e r h y s t e r e t i c l o s s , h i g h e r s u s c e p t i b i l i t i e s a n d p i e z o e l e c t r i c c o n s t a n t s , c o m p a r e d t o h a r d

t y p e s . F u r t h e r m o r e , t h e e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g o f s o f t m a t e r i a l s i s m o r e p r o n o u n c e d t h a n t h a t p r e d i c t e d b y t h e L a u d a u -

D a v o n s h i r e p h e n o m e n o l o g y t h e o r y . T h e e x t r a c o n t r i b u t i o n s a r e b e l i e v e d t o b e d u e t o d o m a i n d y n a m i c s [ 2 ] .

I t i s w e l l k n o w n t h a t P Z T c e r a m i c s i n t h e t e t r a g o n a l p h a s e s t a t e h a v e t w o k i n d s o f d o m a i n s t r u c t u r e s : 1 8 0 0 d o m a i n s a n d 9 0 0

d o m a i n s .

S t r o n g e l e c t r i c f i e l d s ( h i g h e r t h a n E ) i n d u c e s w i t c h i n g o f t h e 1 8 0 d o m a i n s a n d t h e r e o r i e n t a t i o n o f 9 0 d o m a i n s

( f e r r o e l e c t r i c s w i t c h i n g ) , 9 0 d o m a i n s r e o r i e n t a t i o n c a n a l s o b e i n d u c e d b y s t r e s s e s ( f e r r o e l a s t i c s w i t c h i n g ) . 1 8 0 d o m a i n

r e v e r s a l d o e s n o t c o n t r i b u t e t o t h e i n d u c e d s t r a i n , o n l y 9 0 r o t a t i o n d o e s , w h e r e a s t h e I 8 0 d o m a i n r e v e r s a l c o n t r i b u t e s

m a i n l y t o t h e p o l a r i z a t i o n [ 3 ] .

S t r o n g f o r c e s a n d l a r g e s t r a i n s a r e r e q u i r e d f o r m a n y a p p l i c a t i o n s . T h i s r e s u l t s i n t h e o p e r a t i o n o f a c t u a t o r s a t h i g h s t r e s s e s

a n d e l e c t r i c f i e l d s , w h e r e t h e y s h o w s t r o n g n o n - l i n e a r i t y a n d h y s t e r e s i s i n d u c e d b y d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s e s i n t h e

m a t e r i a l . S i n c e n o n - l i n e a r i t y a n d h y s t e r e s i s l i m i t t h e p e r f o r m a n c e , i t i s i m p o r t a n t t o t a k e t h e n o n - l i n e a r r e s p o n s e a n d

h y s t e r e s i s i n t o c o n s i d e r a t i o n , w h e n s e l e c t i n g m a t e r i a l s a n d d e s i g n i n g d e v i c e s .

C o n s t i t u t i v e r e s p o n s e s o f f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s u n d e r u n i a x i a l s t r e s s a n d e l e c t r i c f i e l d l o a d i n g h a v e b e e n s t u d i e d b y m a n y

r e s e a r c h e r s . I m p o r t a n t e x p e r i m e n t a l w o r k s c o n c e r n i n g n o n - l i n e a r e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n g p h e n o m e n a w a s c a r r i e d o u t

b y C a o a n d E v a n s , S c h u f e l e a n d H r d t l , a n d L y n c h [ 4 , 5 ,

6 ] . I n

t h e i r w o r k , h o w e v e r , t h e i n f l u e n c e o f t h e l o a d i n g r a t e o n

t h e i n d u c e d s t r a i n a n d p o l a r i z a t i o n w a s n o t d i s c u s s e d .

I t w a s s u p p o s e d t h a t t h e i n v e s t i g a t i o n o f s t r a i n v s . p o l a r i z a t i o n ( S - P ) c u r v e s c a n h e l p t o u n d e r s t a n d t h e d o m a i n s w i t c h i n g

p r o c e s s i n t h e f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s . S c h m i d t a n d K u w a t a e t a l . r e p o r t e d S - P p l o t s o f t e t r a g o n a l s t r u c t u r e P L Z T ( 6 . 2 5 / 5 0 / 5 0 )

c e r a m i c s a n d P b ( M g 1 1 3 N b 2 1 3 ) 0 3 r e l a x o r s r e s p e c t i v e l y [ 7 , 8 ] . H o w e v e r , t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f S - P c u r v e s w a s n o t

p r e s e n t e d i n t h e i r w o r k .

Smart Structures and Materials 2001: Active Materials: Behavior and Mechanics, Christopher S. Lynch,Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4333 (2001) 2001 SPIE 0277-786X/01/$15.0064

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2/7

I n t h i s p a p e r , s y s t e m a t i c P - E , S - E a n d S - P i n v e s t i g a t i o n s h a v e b e e n p e r f o r m e d a t v a r i o u s f r e q u e n c i e s a n d m a x i m u m f i e l d s .

I t w a s e x p e c t e d t h a t s u c h i n v e s t i g a t i o n s w o u l d p r o v i d e a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f d o m a i n d y n a m i c s i n f e r r o e l e c t r i c s .

2 . E X P E R I M E N T

A l l m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g t h e i n i t i a l l y u n p o l e d c o m m e r c i a l m a t e r i a l P l C 1 5 1 ( P t C e r a m i c , L e d e r h o s e ,

G e r m a n y ) . T h e m a t e r i a l i s a k i n d o f P b ( N i 1 1 3 S b 2 1 3 ) 0 3 - P b T i O 3 - P b Z r O 3 t e r n a r y p h a s e s y s t e m i n c l u d i n g a b o u t 2 - 3 % o f

P b ( N i 1 1 3 S b 2 i 3 ) 0 3 i n t h e v i c i n i t y o f t h e m o r p h o t r o p i c p h a s e b o u n d a r y o f P Z T i n t h e t e t r a g o n a l r a n g e . T h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s

a r e l i s t e d i n T a b l e . I .

T a b l e 1 . P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e P I C 1 5 1 s o f t P Z T c e r a m i c m a t e r i a l

R e s i s t i v i t y ( Q m )

E / C u r i e t e m p e r a t u r e ( C )

d 3 3

1 0 1 1 2 4 0 0

2 5 0

4 5 0

2 2 . 8

e : r e l a t i v e p e r m i t t i v i t y d : c h a r g e c o n s t a n t s [ x 1 0 ' 2 m V ' ] g : v o l t a g e c o n s t a n t s [ x 1 0 3 V m N ' ]

T h e s p e c i m e n s o f 5 x 5 x 1 5 m m 3 i n d i m e n s i o n w e r e c u t f r o m b u l k f e r r o e l e c t r i c s a n d a l l s u r f a c e s w e r e p o l i s h e d . T h e u p p e r

a n d b o t t o m s u r f a c e s o f t h e s p e c i m e n s w i t h a n a r e a o f 5 x 5 m m 2 w e r e e l e c t r o d e d w i t h s i l v e r . T h e h i g h v o l t a g e i s s u p p l i e d b y

a b i p o l a r h i g h - v o l t a g e p o w e r s u p p l y . A t r i a n g u l a r w a v e w a s a p p l i e d w i t h a m a x i m u m a m p l i t u d e o f 2 k V / m m . T h e l o a d i n g

f r e q u e n c y w a s s e l e c t e d i n t h e q u a s i - s t a t i c r a n g e f r o m 0 . 0 1 H z u p t o 1 H z .

A l l s a m p l e s w e r e i m m e r s e d i n t o a b a t h o f e l e c t r o n i c l i q u i d i n o r d e r t o a v o i d a r c i n g .

T h e p o l a r i z a t i o n v s . e l e c t r i c f i e l d ( P - B ) h y s t e r e s i s l o o p s w e r e m e a s u r e d u s i n g a S a w y e r - T o w e r c i r c u i t . A I O p T c a p a c i t o r i s

p l a c e d b e t w e e n t h e s p e c i m e n a n d g r o u n d . T h e v o l t a g e o n t h i s c a p a c i t o r i s m e a s u r e d b y a n e l e c t r o m e t e r a t a n i n p u t

r e s i s t a n c e o f 1 O ' 4 Q .

F o r b u t t e r f l y l o n g i t u d i n a l s t r a i n v s . e l e c t r i c f i e l d ( S - B ) h y s t e r e s i s l o o p s , a l i n e a r l y v a r i a b l e d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r ( L V D T )

c o n n e c t e d t o a n A C m e a s u r i n g b r i d g e w a s u s e d .

A c o m p u t e r e q u i p p e d w i t h a n A D / D A d a t a a c q u i s i t i o n b o a r d a n d t h e D a s y l a b s o f t w a r e p a c k a g e w e r e u s e d t o c o n t r o l t h e

h i g h - v o l t a g e p o w e r a n d p l o t t h e m e a s u r i n g s i g n a l . T o a v o i d e l e c t r i c a l d a m a g e t o t h e c o m p u t e r , a c u s t o m i z e d i s o l a t e d D C

i n p u t / o u t p u t s i g n a l c o n d i t i o n i n g m o d u l e w a s a p p l i e d t o i s o l a t e t h e c o m p u t e r f r o m h i g h v o l t a g e .

3 . R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N

3 . 1 P - E & S - E C u r v e s a s a F u n c t i o n o f E l e c t r i c F i e l d A m p l i t u d e a n d F r e q u e n c y

T h e r e s p o n s e s o f P - E a n d S - B c u r v e s u n d e r d i f f e r e n t e l e c t r i c a m p l i t u d e s a n d f r e q u e n c i e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 1 ( a ) - 1 ( c ) a n d

F i g u r e s 2 ( a ) - 2 ( c ) , r e s p e c t i v e l y .

T h e s e f i g u r e s c l e a r l y d e m o n s t r a t e a s t r o n g f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f P - B a n d S - B c u r v e s . A t t h e e l e c t r i c f i e l d a m p l i t u d e o f 2

k V / m m a n d 1 . 5 k V / m m , t h e f a m i l i a r p o l a r i z a t i o n a n d b u t t e r f l y c u r v e s w e r e o b s e r v e d a t 0 . 0 1 H z a n d 0 . 1 H z , a n d t h e

c o e r c i v e f i e l d a t 0 . 0 1 H z i s a b o u t 1 k V / m m . I n a d d i t i o n , t h e c o e r c i v e f i e l d ( E r ) w a s f o u n d t o b e f r e q u e n c y d e p e n d e n t a n d t o

i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g m e a s u r i n g f r e q u e n c y . T h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f E i n f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l s h a s b e e n k n o w n

f o r m a n y y e a r s , i n c l u d i n g u n m o d i f i e d c r y s t a l s a n d t h i n f i l m s [ 9 , 1 0 ] .

F o r t h e l o a d i n g f r e q u e n c y o f 1 H z , p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w e r e n o t s a t u r a t e d a t t h e m a x i m u m e l e c t r i c f i e l d a m p l i t u d e . F o r

e x a m p l e , a b o u t 6 2 . 5 % o f t h e m a x i m u m p o l a r i z a t i o n a n d 7 2 . 3 % o f t h e m a x i m u m s t r a i n w e r e i n d u c e d a f t e r u n l o a d i n g f r o m

+ 1 - 1 . 5 k V / m m ; a n d a b o u t 1 6 . 7 % o f t h e m a x i m u m p o l a r i z a t i o n a n d 3 5 . 4 % o f t h e t o t a l s t r a i n w e r e i n d u c e d a f t e r u n l o a d i n g

f r o m + 1 - 2 k V l m m .

Proc. SPIE Vol. 4333 65



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F i g u r e 1 . P o l a r i z a t i o n

v s . e l e c t r i c f i e l d ( P - E ) c u r v e s f o r i n i t i a l l y u n p o l e d P I C I 5 I s o f t P Z T c e r a m i c m a t e r i a l a s o b t a i n e d a t a

m a x i m u m A C d r i v e a m p l i t u d e o f : ( a ) 2 , ( b ) 1 . 5 ,

c )

1 k V / m m .

0 . 0 1

H z A -

0 . 1 H z - *

I H z .

5 o c 5 0 7 5 1 0 0

E K V I m m )

E K V / m m )

E K V / r r n )

a )

b )

F i g u r e 2 . S t r a i n v s . e l e c t r i c f i e l d ( S - E ) c u r v e s f o r t h e i n i t i a l l y u n p o l e d P I C 1 5 I s o f t P Z T c e r a m i c m a t e r i a l a s o b t a i n e d a t a

m a x i m u m A C d r i v e a m p l i t u d e o f : ( a ) 2 , ( b ) 1 . 5 , ( c ) 1 k V / m m . 0 . 0 1 H z A 0 . 1 H z *

1 H z .

R e c e n t l y , V i e h i a n d a n d C h e n r e p o r t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a b o u t t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f i n i t i a l l y p o l a r i z e d

O . 7 P b ( M g 1 1 3 N b 2 1 3 ) 0 3 - O . 3 P b T i O 3 s o f t f e r r o e l e c t r i c m a t e r i a l [ 9 , 1 0 ] . T h e i r r e s u l t s s h o w e d t h a t w h e n t h e e l e c t r i c f i e l d

a m p l i t u d e w a s h i g h e r t h a n E i n o u r c a s e b y t w o t i m e s , t y p i c a l P - E a n d S - E c u r v e s o f f e r r o e l e c t r i c s w e r e o b s e r v e d f r o m l o w

f r e q u e n c y ( 0 . 0 1 H z ) t o h i g h f r e q u e n c y ( 1 H z ) . O n l y t h e c o e r c i v e f i e l d i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g f r e q u e n c y . H o w e v e r , t h e

p h e n o m e n o n o f i n c o m p l e t e s a t u r a t i o n o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a t h i g h l o a d i n g f r e q u e n c y w a s n o t d e t e c t e d . T h e d i f f e r e n t

r e s u l t s o b v i o u s l y h a v e t o b e a t t r i b u t e d t o t h e v a r y i n g c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f t h e m a t e r i a l s .

A t t h e e l e c t r i c a m p l i t u d e o f 1 k V / m m , w h i c h i s a b o u t t h e c o e r c i v e f i e l d o f s o f t P Z T P l C 1 5 1 c e r a m i c s , t h e r e s i d u a l

p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n d e c r e a s e d v e r y f a s t w i t h i n c r e a s i n g l o a d i n g f r e q u e n c y . A t I H z , m o s t o f t h e s t r a i n w a s i n d u c e d

d u r i n g t h e u n l o a d i n g p r o c e s s ( s e e F i g u r e 1 ( c ) a n d F i g u r e 2 ( c ) ) . I n t h e w o r k o f V i e h l a n d a n d C h e n , i t w a s a l s o r e p o r t e d

t h a t t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w a s m o s t p r o n o u n c e d a t t h e c o e r c i v e f i e l d o f t h e i r m a t e r i a l .

3 . 2 s - P C u r v e s a s a F u n c t i o n o f E l e c t r i c F i e l d A m p l i t u d e a n d F r e q u e n c y

T h e s t r a i n v s . p o l a r i z a t i o n ( S - P ) c u r v e s u n d e r d i f f e r e n t e l e c t r i c f i e l d a m p l i t u d e s a n d f r e q u e n c i e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 ( a )

3 c ) .

T h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f S - P c u r v e s i s n e a r l y t h e s a m e f o r v a r i o u s f i e l d a m p l i t u d e s . A t 0 . 0 1 H z a n d 0 . 1 H z , s i g n i f i c a n t

h y s t e r e s e s w e r e o b s e r v e d i n t h e S - P c u r v e s , h o w e v e r , w h e n t h e l o a d i n g f r e q u e n c y w a s u p t o 1 H z , a p p r o x i m a t e l y p a r a b o l i c

S - P c u r v e s w e r e f o u n d .

a )

b )

( c )

c )

Proc. SPIE Vol. 433366



4/7

F i g u r e 3 . S t r a i n v s . p o l a r i z a t i o n ( S - P ) c u r v e s f o r t h e i n i t i a l l y u n p o l e d P I C 1 5 1 s o f t P Z T c e r a m i c m a t e r i a l a s o b t a i n e d a t a m a x i m u m A C

d r i v e a m p l i t u d e o f : ( a ) 2 , ( b ) 1 . 5 , ( c ) 1 k V / m m ,

0 . 0 1 H z , * 0 . 1 H z , *

1 H z .

3 . 3 D i s c u s s i o n

o f t h e F r e q u e n c y D e p e n d e n c e o f S - P C u r v e s

K r u g e r a n d G e r t h s e n s t u d i e d t h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s i n r h o m b o h e d r a l - p h a s e ( P b , L a ) ( Z r , T i ) 0 3 - c e r a m i c s . T h e i r r e s u l t s

s h o w e d t h a t t h i s k i n d o f c e r a m i c s e x h i b i t e d p o l a r i z a t i o n s w i t c h i n g b y t w o s u c c e s s i v e 7 1 / 1 0 9 d o m a i n p r o c e s s e s , w h i c h

w a s i d e a l i z e d a s t w o s u c c e s s i v e 9 0 0 d o m a i n w a l l m o t i o n p r o c e s s e s . P o l a r i z a t i o n r e v e r s a l w a s p r i m a r i l y d e t e r m i n e d b y 9 0 0

d o m a i n r e o r i e n t a t i o n [ 1 1 , 1 2 J .

E x p e r i m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d b y S c h m i d t c o n f i r m e d t h a t t h e p o l a r i z a t i o n c h a n g e s o f t e t r a g o n a l - p h a s e P L Z T - c e r a m i c s w e r e

c a u s e d a l m o s t e x c l u s i v e l y b y 9 0 0 d o m a i n w a l l m o t i o n s [ 7 ] .

I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c e o f S - P c u r v e s i n d e t a i l , P - E a n d S - E c u r v e s a t 2 k V / m m w e r e p l o t t e d i n t h e

s a m e d i a g r a m i n t h i s p a p e r . F u r t h e r m o r e , t h e c h a n g e s o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a s a f u n c t i o n o f t h e e l e c t r i c f i e l d w e r e

c o m p a r e d ( p o l a r i z a t i o n v a l u e s w e r e m u l t i p l i e d b y a f a c t o r o f 4 f o r b e t t e r c o m p a r i s o n . ) . T h e n , a t e n t a t i v e e x p l a n a t i o n w a s

g i v e n i n t e r m s o f t h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s . T h e r e s u l t s f o r 0 . 0 1 H z a n d 1 H z a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 a n d F i g u r e 5 ,

r e s p e c t i v e l y .

F i g u r e 4 . R e s p o n s e o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a s a f u n c t i o n o f t h e e l e c t r i c f i e l d o f + 1 -

2 k y / m m , 0 . 0 1 H z .

( a ) h i s t o r y o f s t r a i n a n d p o l a r i z a t i o n a s r e p o n s e t o e l e c t r i c f i e l d l o a d i n g , ( b ) s t r a i n v s . p o l a r i z a t i o n ( S - P ) c u r v e , ( c ) p r o p o s e d d o m a i n

s w i t c h i n g p r o c e s s . ( A - B - C - D - E - F - G , h i s t o r y o f s t r a i n ; a - b - c - d - e - f - g , h i s t o r y o f p o l a r i z a t i o n )

- 0 . 4 - 0 . 3 - 0 . 2

- 0 , 1 0 , 0

0 . 1 0 . 2

a )

P C I m )

( b )

( c )

I

I - - -

B

* * + - + - - 4 + -

( a )

I I

b

I

- 0 , 4

- 0 , 3 - Q 2

- 0 . 1 0 , 0

3 1

0 , 2 0 , 3

0 , 4

P a n

J L

( b )

C , c I I

c )




5/7

A t p o i n t s A a n d a , t h e e l e c t r i c f i e l d i s z e r o . T h e s p e c i m e n h a s a r e s i d u a l s t r a i n o f 0 . 2 7 % a n d a r e s i d u a l p o l a r i z a t i o n o f -

O . 3 3 C I m 2 .

A s

s h o w n i n F i g u r e 4 ( c ) a t p o i n t s A a n d a , m o s t o f t h e d o m a i n s a r e a l i g n e d a l o n g t h e p r e v i o u s d i r e c t i o n o f

e l e c t r i c f i e l d l o a d i n g , w h i l e a s m a l l p a r t o f t h e d o m a i n s r e l a x a n d g r a d u a l l y c h a n g e t h e i r p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n t o t h e i n i t i a l

s t a t e b e f o r e p o l i n g [ 1 3 ] . W i t h t h e a p p l i c a t i o n o f a p o s i t i v e e l e c t r i c f i e l d ( o p p o s i t e d i r e c t i o n o f p o l a r i z a t i o n ) , b o t h

p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n b e g i n t o d e c r e a s e . A t p o i n t B , t h e s t r a i n r e a c h e s i t s m i n i m u m v a l u e , h o w e v e r t h e r e i s s t i l l s o m e

r e s i d u a l p o l a r i z a t i o n . A t p o i n t b , t h e e l e c t r i c f i e l d h a s r e a c h e d t h e v a l u e t h a t i s u s u a l l y c a l l e d c o e r c i v e f i e l d ( h e r e a b o u t I

k V / m m f o r P l C I 5

1 ) .

N o w , t h e p o l a r i z a t i o n i s z e r o , w h e r e a s t h e s t r a i n i s h i g h e r t h a n i t s m i n i m u m v a l u e . S i n c e t h e s t r a i n

a n d p o l a r i z a t i o n d o n o t r e a c h t h e i r m i n i m u m v a l u e s s i m u l t a n e o u s l y , a h y s t e r e s i s c a n b e o b s e r v e d i n t h e c o r r e s p o n d i n g S - P

c u r v e s .

T h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s a t 0 . 0 1 H z s h a l l n o w b e d i s c u s s e d i n t e r m s o f F i g u r e 4 ( c ) . A c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s g i v e n b y

S c h m i d t a n d K r U g e r [ 7 , 1 1 ,

1 2 ] ,

m o s t o f t h e d o m a i n s u n d e r g o a 9 0 0 s w i t c h i n g f r o m p o i n t s A a n d a t o B f o r t h e f i r s t t i m e ,

b u t t h e r e a r e s t i l l s o m e d o m a i n s r e m a i n i n g a t t h e p r e v i o u s p o l i n g d i r e c t i o n . H e n c e , t h e p o l a r i z a t i o n i s s t i l l n e g a t i v e a n d t h e

s t r a i n r e a c h e s i t s m i n i m u m v a l u e a t p o i n t B , b u t i t i s n o t z e r o . F r o m p o i n t B t o b , p a r t o f t h e d o m a i n s e x p e r i e n c e s a s e c o n d

9 O r e o r i e n t a t i o n , d o m a i n s w i t h o p p o s i t e p o l i n g d i r e c t i o n m a k e t h e n e t p o l a r i z a t i o n t o b e z e r o , b u t t h e s t r a i n h a s a l r e a d y

s t a r t e d t o i n c r e a s e . F r o m p o i n t b , m o s t o f t h e d o m a i n s u n d e r g o a 9 0 0

s w i t c h i n g

f o r t h e s e c o n d t i m e . A t p o i n t s C a n d c ,

n e a r l y a l l t h e d o m a i n s h a v e b e e n a l i g n e d t o t h e d i r e c t i o n o f a p o s i t i v e e l e c t r i c f i e l d . B o t h p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a r e

s a t u r a t e d . T h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s o f t h e f o l l o w i n g s e q u e n c e o f D , d - E - e - F , f - G , g i s n e a r l y s a m e , j u s t t h e d i r e c t i o n i s

o p p o s i t e .

T w o s u c c e s s i v e 9 0 0 d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s e s h a v e b e e n u s e d b y L y n c h t o e x p l a i n t h e p h e n o m e n o n o f n e g a t i v e s t r a i n

w i t h r e f e r e n c e t o t h e i n i t i a l l y u n p o l e d s t a t e i n h i s e x p e r i m e n t s [ 6 ] . E v e n t h o u g h w e d i d n o t o b s e r v e n e g a t i v e s t r a i n s , t h e

m i n i m u m s t r a i n s i n o u r e x p e r i m e n t s w e r e c l o s e t o z e r o . I n o u r i n t e r p r e t a t i o n , t h i s a l s o i n d i c a t e s t h e o c c u r r e n c e o f t w o - s t e p

9 0 0 d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s e s .

A t a l o w l o a d i n g f r e q u e n c y o f 0 . 0 1 H z , t h e r e i s e n o u g h t i m e f o r t h e t w o - s t e p 9 0 0 d o m a i n s w i t c h i n g t o t a k e p l a c e . I n

a d d i t i o n , p o l a r i z a t i o n s w i t c h i n g i n t h e t e t r a g o n a l - s t r u c t u r e P Z T c e r a m i c s ( s u c h a s P l C 1 5 1 i n o u r e x p e r i m e n t s ) i s c a u s e d

a l m o s t e x c l u s i v e l y b y 9 0 0 d o m a i n w a l l m o t i o n s a c c o r d i n g t o S c h m i d t , K r u g e r a n d G e r t h s e n [ 7 , 1 1 , 1 2 ] . S o i n c a s e o f

F i g u r e 4 , s o m e 1 8 0 0 d o m a i n r e v e r s a l s m a y a l s o h a v e h a p p e n e d , h o w e v e r , o n l y t h e c o n t r i b u t i o n o f t w o - s t e p 9 0 0 d o m a i n

s w i t c h i n g c a n b e d e t e c t e d .

T h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s w a s a l s o s t u d i e d a t t h e l o a d i n g f r e q u e n c y o f 1 H z . T h e r e s u l t s a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 .

J J

I I + + * - - + - - *

B , b * * I

I

J J

4 4 + 4 + 4 + - +

C , c

,

,

c )

F i g u r e

5 .

R e s p o n s e

o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a s a f u n c t i o n o f t h e e l e c t r i c f i e l d a t + 1 - 2

k y / m m , i H z .

( a ) h i s t o r y o f s t r a i n a n d p o l a r i z a t i o n i n r e s p o n s e t o e l e c t r i c f i e l d l o a d i n g , ( b ) s t r a i n v s . p o l a r i z a t i o n ( S - P ) c u r v e , ( c ) p r o p o s e d d o m a i n

s w i t c h i n g p r o c e s s ( A - B - C - D - E - F - G , h i s t o r y o f s t r a i n ; a - b - c - d - e - f - g , h i s t o r y o f p o l a r i z a t i o n ) .

A t p o i n t s A a n d a , t h e m a t e r i a l h a s a n e g a t i v e r e s i d u a l p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n . W h e n a p o s i t i v e e l e c t r i c f i e l d i s a p p l i e d t o t h e

s p e c i m e n , t h e s t r a i n r e a c h e s i t s m i n i m u m v a l u e a t p o i n t s B a n d b . A t t h e s a m e t i m e t h e n e t p o l a r i z a t i o n i s z e r o , s o a n o n -

h y s t e r e t i c a n d n e a r l y p a r a b o l i c S - P c u r v e d w a s d e t e c t e d a t 1 H z .

a )

b )




6/7

T h e d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s a t I H z s h a l l n o w b e d i s c u s s e d i n t h e l i g h t o f F i g u r e 5 ( c ) . A c c o r d i n g t o U c h i d a a n d I k e t a , t h e

r a t e o f I 8 0 d o m a i n r e v e r s a l i s f a s t e r t h a n t h a t o f 9 0 0 d o m a i n r e o r i e n t a t i o n [ 1 4 ] . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e p o r t e d b y T s u r u m i

e t a l . a l s o i n d i c a t e d t h a t t h e v e l o c i t y o f t h e 9 0 0 d o m a i n w a l l m o t i o n w a s r e l a t i v e l y l o w [ 1 5 ] . A t a l o a d i n g f r e q u e n c y o f 1 H z ,

s o m e d o m a i n s s t i l l k e e p i n t h e i r n e g a t i v e p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n f r o m p o i n t s A a n d a t o p o i n t s B a n d b , e v e n t h o u g h t h e

e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h a t p o i n t s B , b i s a s h i g h e r t h a n 1 . 5 k V l m m , w h i c h i s m u c h h i g h e r t h a n t h e c o e r c i v e f i e l d a t 0 . 0 1 H z .

A t t h e s a m e t i m e , a s m a l l n u m b e r o f d o m a i n s h a v e c o m p l e t e d t h e i r I 8 0 r e v e r s a l s a n d c h a n g e d t h e i r p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n s

t o t h e p o s i t i v e d i r e c t i o n o f t h e e l e c t r i c f i e l d . T h e n u m b e r o f d o m a i n s w i t h o p p o s i t e p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n s i s s a m e , s o t h e

n e t p o l a r i z a t i o n o f t h e s a m p l e i s z e r o . A t p o i n t s C a n d c , o n l y s o m e o f t h e d o m a i n s h a v e f i n i s h e d t h e i r s e c o n d - t i m e 9 0 0

r e o r i e n t a t i o n ,

a s a r e s u l t o f w h i c h t h e s t r a i n a n d p o l a r i z a t i o n a r e n o t s a t u r a t e d . S o m e d o m a i n s w i l l b e g i n o r c o n t i n u e t h e i r

s w i t c h i n g d u r i n g t h e u n l o a d i n g p r o c e s s , m o r e p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w i l l b e i n d u c e d . A t p o i n t s D a n d d , t h e r e s i d u a l

p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a r e h i g h e r t h a n f o r 0 . 0 1 H z s i n c e t h e t i m e i s n o t s u f f i c i e n t f o r s o m e 9 0 d o m a i n s t o s w i t c h b a c k t o

t h e i r i n i t i a l l y u n p o l e d d i r e c t i o n ( s e e F i g u r e 2 ( a ) ) .

H o w e v e r ,

a f t e r r e m o v a l o f t h e e l e c t r i c f i e l d , o u r e x p e r i m e n t a l r e s u l t s

s h o w t h a t t h e r e s i d u a l p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n i n d u c e d a t 1 H z w i l l d e c r e a s e v e r y f a s t i n t h e b e g i n i n g s e v e r a l s e c o n d s a n d

e v e n t u a l l y b e c o m e s t a t i o n a r y . T h e f i n a l r e s i d u a l p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n a r e l o w e r t h a n t h o s e a t 0 . 0 1 H z .

4 . S U M M A R Y

R e s p o n s e o f p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n u n d e r A C e l e c t r i c f i e l d l o a d i n g w i t h d i f f e r e n t a m p l i t u d e s a n d f r e q u e n c i e s w a s s t u d i e d

f o r t h e P l C 1 5 1 s o f t P Z T c e r a m i c m a t e r i a l . B e s i d e s t h e s t a n d a r d h y s t e r e s i s l o o p s o f p o l a r i z a t i o n ( P ) a n d s t r a i n ( S ) v e r s u s

e l e c t r i c f i e l d ( E ) , s t r a i n v e r s u s p o l a r i z a t i o n c u r v e s ( S - P c u r v e s ) w e r e p l o t t e d i n s e p a r a t e d i a g r a m s a t t h e s a m e t i m e . I t w a s

s h o w n t h a t b o t h p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w e r e f r e q u e n c y d e p e n d e n t . T h e c o e r c i v e f i e l d w a s f o u n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g

l o a d i n g f r e q u e n c y . A t 1 H z , p o l a r i z a t i o n a n d s t r a i n w e r e n o t s a t u r a t e d a t t h e m a x i m u m e l e c t r i c f i e l d a m p l i t u d e , p a r t o f t h e m

w i l l b e i n d u c e d d u r i n g t h e f i r s t p e r i o d o f t h e u n l o a d i n g p r o c e s s . A s i g n i f i c a n t h y s t e r e s i s w a s o b s e r v e d f o r t h e S - P c u r v e s a t

0 . 0 1 a n d 0 . 1 H z , w h e r e a s a n e a r l y p a r a b o l i c S - P c u r v e w a s d e t e c t e d w h e n t h e f r e q u e n c y w a s u p t o 1 H z . T h e t w o s u c c e s s i v e

9 0 d o m a i n s w i t c h i n g p r o c e s s e s w e r e u s e d t o e x p l a i n t h e e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a . T h e r e l a t i v e l y s l o w r e o r i e n t a t i o n

v e l o c i t y o f 9 0 d o m a i n s c o m p a r e d t o 1 8 0 d o m a i n s w a s s u p p o s e d t o b e t h e r e a s o n o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .

5 . A C K N O W L E G E M E N T

T h e s u p p o r t b y t h e D e u t s c h e F o r s c h u n g s g e m e i n s c h a f t i s g r e a t l y a c k n o w l e d g e d a n d t h e a u t h o r s w o u l d a l s o l i k e t o g i v e

t h a n k s t o M r . A . F r h l i c h f o r u s e f u l d i s c u s s i o n s .

R E F E R E N C E S

I .

S .

T a k a h a s h i , M u l t i l a y e r

P i e z o - C e r a m i c A c t u a t o r s a n d T h e i r A p p l i c a t i o n s , F e r r o e l e c t r i c s c e r a m i c s : t u t o r i a l r e v i e w s ,

t h e o r y , p r o c e s s i n g a n d a p p l i c a t i o n s , B e r l i n : B i r k h u s e r , 1 9 9 3 .

2 . L . E . C r o s s ,

F e r r o e l e c t r i c

C e r a m i c s : T a i l o r i n g P r o p e r t i e s f o r S p e c i f i c A p p l i c a t i o n s , F e r r o e l e c t r i c s c e r a m i c s : t u t o r i a l

r e v i e w s , t h e o r y , p r o c e s s i n g a n d a p p l i c a t i o n s , B e r l i n : B i r k h u s e r , 1 9 9 3 .

3 .

K e n j i

,

F e r r o e l e c t r i c

d e v i c e s , N e w Y o r k , 2 0 0 0 .

4 . A n s g a r B . S c h u f e l e a n d K a r l H e i n z H r d t l , F e r r o e l a s t i c P r o p e r t i e s o f L e a d Z i r c o n a t e T i t a n a t e C e r a m i c s , I A m .

C e r a m . S o c . , 7 9 { l 0 ] 2 6 3 7 - 4 0 , 1 9 9 6 .

5 . H e n g c h u C a o a n d A n t h o n y G . E v a n s , N o n l i n e a r D e f o r m a t i o n o f F e r r o e l e c t r i c C e r a m i c s , J . A m . C e r a m . S o c . , 7 6 [ 4 ]

8 9 0 - 9 6 , 1 9 9 3 .

6 . C . S . L y n c h , T h e e f f e c t o f u n i a x i a l s t r e s s o n t h e e l e c t r o - m e c h a n i c a l r e s p o n s e o f 8 / 6 5 / 3 5 P L Z T , A c t a m a t e r . , V o l . 4 4 ,

N o . 1 0 , p p . 4 l 3 7 - 4 l 4 8 , 1 9 9 6 .

7 . N . A . S c h m i d t , C o e r c i v e f o r c e a n d 9 0 d o m a i n w a l l m o t i o n i n f e r r o e l e c t r i c P L Z T c e r a m i c s w i t h s q u a r e h y s t e r e s i s

l o o p s , F e r r o e l e c t r i c s , [ 9 8 ] , V o l . 3 1 , p p . 1 0 5 - 1 1 2 , 1 9 8 1 .

8 . J . K u w a t a , K . U c h i n o a n d S . N o m u r a , E l e c t r i c s t r i c t i v e

c o e f f i c i e n t s o f P b ( M g 1 1 3 N b 2 1 3 ) 0 3 c e r a m i c s , J p n . I A p p l . P h y s .

V o l . 1 9 , N o . 1 1 , p p . 2 0 9 9 - 2 1 0 3 , 1 9 8 0

9 . Y u n - H a n C h e n a n d D w i g h t V i e h l a n d , R e l a x a t i o n a l

p o l a r i z a t i o n d y n a m i c s i n s o f t f e r r o e l e c t r i c , A p p l . P h y s . L e t t . , V o l . 7 7 ,

N o . I ,

3

J u l y 2 0 0 0 .

1 0 . D w i g h t V i e h l a n d a n d Y u n - H a n C h e n , R a n d o m - f i e l d

m o d e l f o r f e r r o e l e c t r i c d o m a i n d y n a m i c s a n d p o l a r i z a t i o n

r e v e r s a l , I A p p l . P h y s . , V o l . 8 8 , N o . 1 1 , 1 D e c e m b e r 2 0 0 0 .

1 1 . G . K r U g e r , D o m a i n w a l l m o t i o n c o n c e p t t o d e s c r i b e f e r r o e l e c t r i c r h o m b o h e d r a l P L Z T c e r a m i c s , F e r r o e l e c t r i c s ,




7/7

V o l . 1 1 , p p . 4 1 7 - 4 2 2 , 1 9 7 6 .

1 2 . P . G e r t h s e n a n d G . K r g e r , C o e r c i v e f i e l d i n f i n e - g r a i n e d P L Z T c e r a m i c s , F e r r o e l e c t r i c s , V o l . 1 1 , p p . 4 8 9 - 4 9 2 , 1 9 7 6 .

1 3 . G . A l t e r , H . D e d e r i c h s a n d R . H e r b i e t , F e r r o e l e c t r i c s , V o l . 7 4 , p p . 3 3 , 1 9 8 7

1 4 . N . U c h i d a a n d 1 . I k e t a , T e m p e r a t u r e a n d b i a s c h a r a c t e r i s t i c s o f P b ( Z r , T i ) 0 3 f a m i l i e s c e r a m i c s , J p n . J . A p p i . P h y s . ,

V o l . 4 , N o . 1 1 , p p . 8 6 7 - 8 8 0 , 1 9 6 5 .

1 5 . T a k a a k i T s u r u m i , Y u t a k a K u m a n o , N a o k i O h a s h i , T a d a s h i T a k e n a k a a n d O s a m u F u k u n a g a , 9 0 0

d o m a i n

r e o r i e n t a t i o n a n d e l e c t r i c - f i e l d - i n d u c e d s t r a i n o f t e t r a g o n a l L e a d Z i r c o n a t e T i t a n a t e c e r a m i c s , . / p n . J . A p p i . P h y s . ,

V o l . 3 6 , p p . 5 9 7 0 - 5 9 7 5 , 1 9 9 7 .


Kamlah-etal Spie2001 4333

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