CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
1.3. VẬT LIỆU GỐM PZT-PMnN 1 Vật liệu PZT pha tạp
1.3.1. Vật liệu PZT pha tạp
1.3.1.1. Gốm PZT [46],[56],[81],[130],[132], [142] …
PbTiO3 là một vật liệu có tính dị hướng mạnh, nhưng nó tự rã thành bột khi giảm nhiệt độ xuống dưới điểm Curiẹ Khi thay thế từng phần Ti4+ bởi Zr4+ thì dung dịch rắn giữa xPbZrO3 –(1-x)PbTiO3 với tên gọi PZT được tạo thành. Giản đồ pha của PZT được mơ tả trên hình 1.10 [127],[130].
Ở nhiệt độ thấp, khi tăng hàm lượng Zr trong PZT, vật liệu chuyển từ pha sắt điện tứ giác sang sắt điện mặt thoi và cuối cùng là phản sắt điện trực thoị Ở nhiệt độ cao, vật liệu ở pha thuận điện lập phương.
PZT có nhiệt độ TC cao, ~ 235oC với x = 1 cho tới 490oC với x = 0. Tính chất áp điện của PZT cao hơn hẳn BT, do i-on Ti4+ có khơng gian dịch chuyển lớn hơn nên có độ phân cực cao hơn [46]. Biên pha hình thái giữa hai pha tứ giác (giàu Ti) và mặt thoi (giàu Zr) tại x ≈ 0,52 là gần như thẳng đứng và không phụ thuộc nhiệt độ [142], với TC ≈ 370oC. Vùng cận biên pha, nơi cả hai pha tứ giác và mặt thoi đồng thời tồn tại, có thể rộng đến 20% [14]. Tại biên pha, các tính chất điện mơi, sắt điện và áp điện của vật liệu đều đạt giá trị cực đạị Lý do là do hai pha đồng thời tồn tại, tại đó có nhiều hướng phân cực khả dĩ hơn (gồm 6 phương của tứ giác và 8 phương của mặt thoi - hình 1.11) nên có độ phân cực lớn [46], [130]... Các nghiên cứu cấu trúc nhiễu xạ tia X phân giải cao còn phát hiện sự tồn tại của pha đơn tà với 24 phương phân cực khả dĩ tại vùng biên pha [87]-[89], [111], coi đây như là một bằng chứng quan trọng để giải thích cho dị thường điện mơi tại biên phạ
Hình 1.11. Pha lập phương thuận điện và các pha sắt điện: tứ giác, 6 phương phân cực
[001] trực thoi, 12 phương phân cực [110] và mặt thoi, 8 phương phân cực [111].
Tại biên pha, gốm sắt điện PZT có Pr ≈ 0,5C/m2; EC ≈ 1MV/m và Pr ≤ 0,86Ps [27]. Bên phía PbZrO3 của giản đồ pha, vật liệu ở pha tinh thể méo dạng trực thoi phản sắt điện, trong đó sự phân cực bị triệt tiêu ngay từ cấp độ ô đơn vị. Đường trễ sắt điện ở thành phần pha tứ giác vuông vức hơn so với thành phần pha mặt thoi, nên các thành phần giàu Ti có phân cực tự phát lớn hơn.
Mặc dù PZT có phổ tính chất áp điện rộng, tại biên pha hình thái các thơng số tính chất đều đạt giá trị cực đại nhưng hoạt tính áp điện của PZT thuần vẫn chưa đủ
mạnh để sử dụng được trong nhiều ứng dụng. Nhờ áp dụng cách pha tạp thích hợp, hoạt tính áp điện của PZT được cải thiện rõ rệt và trở nên đa dạng hơn nữa [130].