Substrate Clamping Effects on Irreversible Domain Wall Dynamics in Lead Zirconate Titanate Thin Films

The role of long-range strain interactions on domain wall dynamics is explored through macroscopic and local measurements of nonlinear behavior in mechanically clamped and released polycrystalline lead zirconate-titanate (PZT) films. Released films show a dramatic change in the global dielectric nonlinearity and its frequency dependence as a function of mechanical clamping. Furthermore, we observe a transition from strong clustering of the nonlinear response for the clamped case to almost uniform nonlinearity for the released film. This behavior is ascribed to increased mobility of domain walls. These results suggest the dominant role of collective strain interactions mediated by the local and global mechanical boundary conditions on the domain wall dynamics. The work presented in this Letter demonstrates that measurements on clamped films may considerably underestimate the piezoelectric coefficients and coupling constants of released structures used in microelectromechanical systems, energy harvesting systems, and microrobots.

Preparation and structural characterization of rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate ceramics

A new preparation route towards rare-earth (RE) doped polycrystalline lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics (RE = Y(3+), Nd(3+), Yb(3+)), based on the use of doped lanthanum oxide or zirconia, is reported. Structural characterization by X-ray powder diffraction reveals that secondary phase formation can be substantially diminished in comparison to conventional preparation methods. The distribution of the rare-earth dopants was investigated as a function of concentration by static (207)Pb spin echo NMR spectra, using Fourier Transformation of Carr-Purcell-Meiboom-Gill spin echo trains. For the Nd- and Yb-doped materials, the interaction of the (207)Pb nuclei with the unpaired electron spin density results in significant broadening and shifting of the NMR signal, whereas these effects are absent in the diamagnetic Y(3+) doped materials. Based on different concentration dependences of the NMR lineshape parameters, we conclude that the structural role of the Nd(3+) dopants differs significantly from that of Yb(3+). While the Nd(3+) ions appear to be statistically distributed in the PLZT lattice, incorporation of Yb(3+) into PLZT appears to be limited by the appearance of doped cubic zirconia as a secondary phase. (C) 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Solid state NMR as a new approach for the structural characterization of rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate laser ceramics

To facilitate the design of laser host materials with optimized emission properties, detailed structural information at the atomic level is essential, regarding the local bonding environment of the active ions (distribution over distinct lattice sites) and their extent of local clustering as well as their population distribution over separate micro- or nanophases. The present study explores the potential of solid state NMR spectroscopy to provide such understanding for rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics. As the NMR signals of the paramagnetic dopant species cannot be observed directly, two complementary approaches are utilized: (1) direct observation of diamagnetic mimics using Sc-45 NMR and (2) study of the paramagnetic interaction of the constituent host lattice nuclei with the rare-earth dopant, using Pb-207 NMR lineshape analysis. Sc-45 MAS NMR spectra of scandium-doped PLZT samples unambiguously reveal scandium to be six-coordinated, suggesting that this rare-earth ion substitutes in the B site. Static Pb-207 spin echo NMR spectra of a series of Tm-doped PLZT samples reveal a clear influence of paramagnetic rare-earth dopant concentration on the NMR lineshape. In the latter case high-fidelity spectra can be obtained by spin echo mapping under systematic incrementation of the excitation frequency, benefiting from the signal-to-noise enhancement afforded by spin echo train Fourier transforms. Consistent with XRD data, the Pb-207 NMR lineshape analysis suggests that statistical incorporation into the PLZT lattice occurs at dopant levels of up to 1 wt.% Tm3+, while at higher levels the solubility limit is reached. (C) 2008 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Electromechanical properties of 0-3 vegetable based polyurethane and lead zirconate titanate composite.

Composite made of Lead Zirconate Titranate (PZT) ceramic powder and castor oil based polyurethane (PU) were prepared in the thin film form with 0-3 connectivity by spin coating. The composite films were obtained in the thickness range of 100 mum to 300 mum using 33-vol.% of ceramic. The samples mechanical resistance. The material was characterised by dielectric spectroscopy, thermally stimulated discharge current (TSDC), hysteresis measurements and laser-intensity-modulation method (LIMM). The pyroelectric coefficient at 343 K was 7x10(-5) C.m(-2) K-1 for the sample poled with 10 MV/m at 373 K for Ih. The results show that this new composite can be used as suitable piezo and pyroelectric sensors.

Modeling the dielectric response of lanthanum modified lead zirconate titanate ferroelectric ceramics-an approach to the phase transitions in relaxor ferroelectrics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Synthesis and characterization of lead zirconate titanate powders obtained by the oxidant peroxo method

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Contribution of structural order-disorder to the room-temperature photoluminescence of lead zirconate titanate powders

Intense and broad visible photoluminescent (PL) band was observed at room temperature in structurally disordered PbZr0.53Ti0.47O3 powders. The lead zirconate titanate PbZr0.53Ti0.47O3 powders prepared by the polymeric precursor method and heat treated at different temperatures were structurally characterized at long range by means of X-ray diffraction. The PL was measured at room temperature samples heat treated at different temperatures. Experimental measurements and quantum-mechanical calculations showed that the high structural order and the high structural disorder in PbZr0.53Ti0.47O3 lattice are not favorable to the intense PL emission. Only samples containing simultaneous structural order and disorder in their lattice present the intense visible PL emission at room temperature. (C) 2007 Published by Elsevier B.V.

Electrical characterization of lead zirconate titanate prepared by organic solution route

Two series of lead zirconate titanate (PZT) ceramics with composition Zr/Ti approximate to 53/47 have been prepared by the organic solution route. The effects on the electrical properties of calcination temperature in one series and of sintering time period in the other were examined. Dielectric constant, electrical conductivity and impedance spectroscopy results differed from one series to the other, probably due to differences in structure of the precursor powders, as seen by X-ray diffraction. Tetragonal and rhombohedral phases predominate in the powders used, respectively, in the calcined and sintered series. Physical and electrical behavior of ceramics prepared from predominantly rhombohedral powder suggests the evaporation of PbO. The presence of two semi-circles in impedance plots leads to the association of the low frequency semi-circle to the presence of PbO, which, apparently, was not eliminated from ceramics prepared from predominantly tetragonal powder. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd and Techna S.r.l. All rights reserved.

Electromechanical properties of calcium bismuth titanate films: A potential candidate for lead-free thin-film piezoelectrics

CaBi4Ti4O15 (CBTi144) thin films were evaluated for use as lead-free thin-film piezoelectrics in microelectromechanical systems. The films were grown by the polymeric precursor method on (100)Pt/Ti/SiO2/Si substrates. The a/b-axis orientation of the ferroelectric film is considered to be associated with the preferred orientation of the Pt bottom electrode. The P-r and E-c were 14 mu C/cm(2) and 64 kV/cm, respectively, for a maximum applied field of 400 kV/cm. The domain structure was investigated by piezoresponse force microscopy. The film has a piezoelectric coefficient, d(33), equal to 60 pm/V and a current density of 0.7 mA/cm(2).

Characterization of dense lead lanthanum titanate ceramics prepared from powders synthesized by the oxidant peroxo method

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Lead zirconate titanate/polyurethane (PZT/PU) composite for acoustic emission sensors

Piezoelectric composite, made from ferroelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT) and vegetable based polyurethane (PU) polymer, was doped with a semiconductor filler, graphite. The resulting composite (PZT/C/PU) with 49/1/50- vol. % composition could be poled at lower field and shorter time due to the increased conductivity of the polymer phase following the introduction of graphite. The PZT/C/PU composite showed higher pyroelectric coefficient in comparison with the undoped PZT/PU composite with 50/50-vol. % composition. Also, the PZT/C/PU composite has shown the ability to detect both extensional and flexural modes of simulated acoustic emission (AE) at a distance up to 8.0 m from the source, thus indicating that it may be used for detection of structural damages.

Thickness dependence of structure and piezoelectric properties at nanoscale of polycrystalline lead zirconate titanate thin films

Lead zirconate titanate Pb(Zr0.50Ti0.50)O3 (PZT) thin films were deposited by a polymeric chemical method on Pt(111)/Ti/SiO2/Si substrates to understand the mechanisms of phase transformations and the effect of film thickness on the structure, dielectric, and piezoelectric properties in these films. PZT films pyrolyzed at temperatures higher than 350 °C present a coexistence of pyrochlore and perovskite phases, while only perovskite phase grows in films pyrolyzed at temperatures lower than 300 °C. For pyrochlore-free PZT thin films, a small (100)-orientation tendency near the film-substrate interface was observed. Finally, we demonstrate the existence of a self-polarization effect in the studied PZT thin films. The increase of self-polarization with the film thickness increasing from 200 nm to 710 nm suggests that Schottky barriers and/or mechanical coupling near the film-substrate interface are not primarily responsible for the observed self-polarization effect in our films. © 2013 AIP Publishing LLC.

Synthesis and characterization of lead zirconate titanate (PZT) obtained by two chemical methods

Lead zirconate titanate (PZT) was synthesized at the ratio of Zr/Ti=52/48 using two synthesis methods: the polymeric precursor method (PPM) and the microwave-assisted hydrothermal method (MAHM). The synthesized materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), particle size distribution by sedimentation, hysteresis measurements and photoluminescence (PL). The results showed that PZT powders are composed of tetragonal and rhombohedral phases. Different particle sizes and morphologies were obtained depending upon the synthesis method. From the hysteresis loop verified that PZT powders synthesized by the PPM have a typical loop of ferroelectric material and are more influenced by spatial charges while particles synthesized by the MAHM have a hysteresis loop similar to paraelectric material and are less influenced by spatial charges. Both samples showed PL behavior in the green region (525 nm) whereas the sample synthesized by the PPM showed higher intensity in spectra. © 2013 Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l.

Processing and structural properties of random oriented lead lanthanum zirconate titanate thin films

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.