Evolution des propriétés diélectriques, ferroélectriques et électromécaniques dans le système pseudo-binaire (1-x)BaTi0.8Zr0.2O3- xBa0.7Ca0.3TiO3 / Corrélations structures et propriétés

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x 0.32) à l aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the lattice softening gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Revised structural phase diagram of (Ba0.7Ca0.3TiO3)-(BaZr0.2Ti0.8O3)

The temperature-composition phase diagram of barium calcium titanate zirconate (x(Ba0.7Ca0.3TiO3)(1-x)(BaZr0.2Ti0.8O3); BCTZ) has been reinvestigated using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction. Contrary to previous reports of an unusual rhombohedral-tetragonal phase transition in this system, we have observed an intermediate orthorhombic phase, isostructural to that present in the parent phase, BaTiO3, and we identify the previously assigned T-R transition as a T-O transition. We also observe the O-R transition coalescing with the previously observed triple point, forming a phase convergence region. The implication of the orthorhombic phase in reconciling the exceptional piezoelectric properties with the surrounding phase diagram is discussed

Evolution of the dielectric, ferroelectric and electromechanical properties in the pseudo-binary system (1-x)-BaTi0.8Zr0.2O3 xBa0.7Ca0.3TiO3 / structure-property correlations

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l’aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l’énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x≈ 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the ‘lattice softening’ gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased

Evolution of the dielectric, ferroelectric and electromechanical properties in the pseudo-binary system (1-x)-BaTi0.8Zr0.2O3 xBa0.7Ca0.3TiO3 / structure-property correlations

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l’aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l’énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x≈ 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the ‘lattice softening’ gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased

Evolution of the dielectric, ferroelectric and electromechanical properties in the pseudo-binary system (1-x)-BaTi0.8Zr0.2O3 xBa0.7Ca0.3TiO3 / structure-property correlations

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l’aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l’énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x≈ 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the ‘lattice softening’ gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased

Evolution des propriétés diélectriques, ferroélectriques et électromécaniques dans le système pseudo-binaire (1-x)BaTi0.8Zr0.2O3- xBa0.7Ca0.3TiO3 / Corrélations structures et propriétés

The aim of this work is to make a full characterization of the structural, microstructural, dielectric,ferroelectric and piezoelectric properties of the perovskite-structured oxides (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-xBa0.7Ca0.3TiO3 prepared by a conventional solid-state reaction method (conventional sintering) andSPS fabrication technique. Using high-resolution synchrotron x-ray powder diffraction, the structuralinvestigations carried out close to the triple point (x≈ 0.32) have introduced significant corrections tothe previously published composition-temperature phase diagram. The colossal electromechanicalresponse was then correlated to a strongly degenerate free energy landscape caused by structuralinstabilities. Furthermore, the coupling between the high polarization flexibility under electric andthermal stresses and the ‘lattice softening’ gives rise to a giant electromechanical response due tohigh domain wall activities. The decrease of the dielectric, ferroelectric and piezoelectric propertiesof BCTZ ceramics (x=0.32 and 0.5) processed by SPS was essentially attributed to the largecompositional fluctuations and stable domain wall configurations as the grain size decreased.Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l’aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l’énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains

Linking large piezoelectric coefficients to highly flexible polarization of lead free BaTiO<sub class="emphinferior">3</sub>-CaTiO<sub class="emphinferior">3</sub>-BaZrO<sub class="emphinferior">3</sub> ceramics

We report a large d31 piezoelectric coefficient and corresponding electromechanical coupling factor, Kp, of 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BCTZ50) and 0.68Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.32(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BCTZ32) lead-free piezoceramics. The piezoelectric coefficient, d31, reaches a high value of 200 pC/N for BCTZ50 at room temperature which is comparable to the one of the soft PZT. This confirms the previously reported d33 for the same material. A useful way to achieve such performances at the expense of a smaller thermal budget is suggested, enabling better control of the ceramics composition and microstructure. Based on pyroelectric and ferroelectric hysteresis loops measurements, we show that such outstanding properties are likely due to the high flexibility of polarization under thermal and electric stresses

Continuous cross-over from ferroelectric to relaxor state and piezoelectric properties of BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3 single crystals

Optimal properties like piezoelectricity can be found in polarizable materials for which the structure changes sharply under small composition variations in the vicinity of their morphotropic phase boundary or the triple point in their isobaric temperature-composition phase diagram. In the latter, lead-free (Ba0.850Ca0.150)(Ti0.900Zr0.100)O3 ceramics exhibit outstanding piezoelectric coefficients. For the first time, we report the growth of piezoelectric lead-free single crystals in the BaTiO3-BaZrO3-CaTiO3 pseudo-ternary system. The stoichiometry control in the CaO-BaO-TiO2-ZrO2 solid solution led to single crystals with various compositions ranging from (Ba0.857Ca0.143)(Ti0.928Zr0.072)O3 to (Ba0.953Ca0.047)(Ti0.427Zr0.573)O3. We evidenced a continuous cross-over from a ferroelectric state at high titanium content to a relaxor one on increasing the zirconium content. Such a property tuning is rather seldom observed in lead-free ferroelectrics and confirms what was already reported for ceramics. Single crystal with (Ba0.838Ca0.162)(Ti0.854Zr0.146)O3 composition, which has been grown and oriented along [001] crystallographic direction, displayed electromechanical coefficients d31 and k31 of 93 pC.N−1 and 0.18, respectively, near the room temperature (T = 305 K)

Growth and Characterization of Lead-free Piezoelectric Single Crystals

Lead-free piezoelectric materials attract more and more attention owing to the environmental toxicity of lead-containing materials. In this work, we review our first attempts of single crystal grown by the top-seeded solution growth method of BaTiO3 substituted with zirconium and calcium (BCTZ) and (K0.5Na0.5)NbO3 substituted with lithium, tantalum, and antimony (KNLSTN). The growth methodology is optimized in order to reach the best compositions where enhanced properties are expected. Chemical analysis and electrical characterizations are presented for both kinds of crystals. The compositionally-dependent electrical performance is investigated for a better understanding of the relationship between the composition and electrical properties. A cross-over from relaxor to ferroelectric state in BCTZ solid solution is evidenced similar to the one reported in ceramics. In KNLSTN single crystals, we observed a substantial evolution of the orthorhombic-to-tetragonal phase transition under minute composition changes

Dielectric, pyroelectric and piezoelectric properties in the (1−x)(0.1BaTiO3-0.9NaNbO3)-xLiNbO3 system

New lead free piezoceramics with the given compositions (1 − x)(0.1BaTiO3-0.9NaNbO3)-xLiNbO3(0.01 ≤ x ≤ 0.125) were prepared by solid-state reaction technique. XRD patterns revealed a single perovskite-structured phase only for 0.01 ≤ x < 0.05. The dielectric, pyroelectric and piezoelectric responses were investigated for compositions with x = 0.01 and 0.02. For both compositions, ɛ'r exhibited a sharp peak with no frequency dependence (classical ferroelectrics). Losses displayed a strong dispersion at low frequencies in the paraelectric phase which was attributed to Li ionic conductivity in these compositions. The spontaneous polarization was found to be 35 and ≈22 μC cm−2 for x = 0.01 and 0.02 respectively. The transverse piezoelectric coefficient d31 measured for x = 0.01 reached value of 37 pC/N at room temperature while the planar coupling factor was about 0.23