Υβριδικό σύστημα πιεζοηλεκτρικό-σιδηρομαγνήτη: Μεταβολή πιεζοηλεκτρικών συντελεστών με την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Υβριδικό σύστημα πιεζοηλεκτρικό-σιδηρομαγνήτη: Μεταβολή πιεζοηλεκτρικών συντελεστών με την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου Γεωργία Βερτσιώτη Τριμελής Επιτροπή: Δ. Σταμόπουλος, Μ. Πίσσας, S. J. Zhang Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2018

2 Περιεχόμενα Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Θεωρητικό Μέρος Πολυκρυσταλλικά Σιδηροηλεκτρικά (ΣΗ) Πιεζοηλεκτρικά(ΠΗ)Υλικά Διάγραμμα Φάσεων Pb(Zr x T 1-x )O 3 Υπο μελέτη σύστημα και στόχοι Υβριδικό ογκικό σύστημα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3-5%Fe 3 O 4 Μέθοδος υπολογισμού πιεζοηλεκτρικών συντελεστών Ακρίβεια της Μεθόδου-Προσομοίωση σφαλμάτων Επίδραση μαγνητικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς συντελεστές Πειραματική διάταξη και αποτέσματα Συμπεράσματα-Μελλοντικοί στόχοι

3 Πολυκρυσταλλικά Σιδηροηλεκτρικά Πιεζοηλεκτρικά Υλικά Πιεζοηλεκτρικό Φαινόμενο Eυθύ Αντίστροφο S E S BaTiO 3 ZnO PMN-PT Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 (PZT)

4 Μορφοτροπικό Σύνορο Φάσεων στο PZT Μορφοτροπικό Σύνορο Φάσεων (ΜΣΦ) Μεγιστοποίηση τιμών ΠΗ συντελεστών d ij = S ij (E i )/ E i Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 F. Cordero et al., PRB 87, (2013) Συνύπαρξη των R, Μ, Τ κοντά στο ΜΣΦ 14 ισοδύναμες δυνατές διευθύνσεις της πόλωσης Υψηλή πιεζοηλεκτρική απόδοση B. Jaffe et al., Piezoelectric Ceramics (1971)

5 Υβριδικό ογκικό σύστημα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 -x%fe 3 O 4, x=0-50% ΠΗ μήτρα PZT μικρο/νάνο-σωματίδια Fe 3 O 4 Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 (NCE55, Noliac) Fe 3 O 4 (Sigma- Aldrich 98%+, Av. Part.Size: nm) 1. Ομογενοποίηση των συστατικών 2. Συμπίεση με υδραυλική πρέσσα, P=100 Τon 3. Πυροσσυσωμάτωση σε Τ= C, για t=2h, στον αέρα

6 Υβριδικό ογκικό σύστημα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 -x%fe 3 O 4, x=0-50% ΠΗ μήτρα PZT μικρο/νάνο-σωματίδια Fe 3 O 4 Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 (NCE55, Noliac) Fe 3 O 4 (Sigma- Aldrich 98%+, Av. Part.Size: nm) 1. Ομογενοποίηση των συστατικών 2. Συμπίεση με υδραυλική πρέσσα, P=100 Τon 3. Πυροσσυσωμάτωση σε Τ= C, για t=2h, στον αέρα R (Ohm) T=300 K Fe 3 O 4 concentration, x (% w/w) PZT-5% Fe 3 O 4 I ( A) T=300 K % 5% E ex (kv/cm) Υψηλή αντίσταση R> 200 ΜΩ Παραμένει μονωτής τουλάχιστον έως E ex =4 kv/cm

7 Μέθοδος υπολογισμού πιεζοηλεκτρικών συντελεστών μέσω των τοπικών παραμορφώσεων με τεχνικές μικροσκοπίας Οπτική πλατφόρμα τοποθέτησης δείγματος σε διάταξη pin-to-pin (a) Au layer sample Au layer platform pin pin L (b) ΔL L ΔL S zi =2ΔL i / L i με i=x,y d zi = S zi (E z )/ E z (i=x,y) E ex =0 kv/cm E ex 0 kv/cm D. Stamopoulos, S. J. Zhang, J. Alloys Comp. 612 (2014)

8 Μέθοδος υπολογισμού πιεζοηλεκτρικών συντελεστών μέσω των τοπικών παραμορφώσεων με τεχνικές μικροσκοπίας Εφαρμογή της μεθοδου σε δείγμα PZT-5%Fe 3 O 4 Χαρακτηριστικό Σημείο Δy y 0 0 kv/cm kv/cm -10 kv/cm 0 kv/cm

9 Πλεονεκτήματα της Μεθόδου Απευθείας απεικόνηση και καταγραφή ηλεκτρομηχανικών (Η/Μ) διεργασιών Εφαρμογή σε Οπτικό Μικροσκόπιο και Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης Διερεύνηση πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων σε επαρκές εύρος θερμοκρασιών γύρω από την θερμοκρασία Curie, T C Εφαρμογή σε διάφορους τύπους δειγμάτων (μονοκρυστάλλους, πολυκρυσταλλικά κεραμικά, λεπτά υμένια)

10 Ακρίβεια της Μεθόδου Πηγές σφαλμάτων (Ι) Σφάλμα λόγω εσφαλμένης τοποθέτησης δείγματος στην οπτική πλατφόρμα Σωστή τοποθέτηση pin L Εσφαλμένη τοποθέτηση pin L pin pin platform E ex =0 platform E ex =0 ΔL pin L ΔL ΔL pin L ΔL S=2 ΔL/L pin pin platform E ex 0 platform E ex 0 Διόρθωση με τη βοήθεια μικρομετρικού κοχλία που βρίσκεται στο stage ΟΜ και με παρατήρηση σε στερεοσκόπιο

11 (ΙΙ) Σφάλμα λόγω ολίσθησης μηχανικών μερών της διάταξης (οπτική πλατφόρμα και OM stage) Shift x ( m) T=15 0 C t (min) Shift y ( m) T=15 0 C t (min) Μετά από την πάροδο 75min, η ολίσθηση είναι πρακτικά μηδενική (ΙΙΙ) Σφάλμα μέσω των τιμών κανονικοποίησης από δείγματα αναφοράς Grating sample TGZ3 (NT-MDT Co., Russia) Period: 3±0.05 μm

12 Με τις κατάλληλες ενέργειες/διορθώσεις η συνεισφορά των σφαλμάτων (Ι), (ΙΙ), (ΙΙΙ) είναι < 10% Κύρια πηγή σφάλματος: (ΙV) Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων

13 E ex =0 kv/cm x i L(E ex =0) O

14 E ex =+6 kv/cm x f L(E ex 0) O

15 Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων E ex =0 kv/cm E ex =+6 kv/cm S xf xi x x i x i O x i O x f O

16 Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων O E ex =0 kv/cm E ex =+6 kv/cm x i x f O S Ισχύει ότι δδx=c 1 Δx δ x x xf xi x x i x x x δs C1 (1) i i i O

17 Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων O E ex =0 kv/cm E ex =+6 kv/cm x i x f O S Ισχύει ότι δδx=c 1 Δx δ x x xf xi x x i x x x δs C1 (1) i i i O Πρέπει C 1 =C 1 (Δx) lim C1 ( x) 0 x lim C1 ( x) 1 x ROM For 0 Δx R OM, C 1 (Δx)=1 (2) ( ) For Δx R OM, C1 (Δx) e x dl (3)

18 Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων O E ex =0 kv/cm E ex =+6 kv/cm x i x f O S Ισχύει ότι δδx=c 1 Δx δ x x xf xi x x i x x x δs C1 (1) i i i Από τις σχέσεις (1), (2), (3) O Πρέπει C 1 =C 1 (Δx) lim C1 ( x) 0 x lim C1 ( x) 1 x ROM For 0 Δx R OM, C 1 (Δx)=1 (2) ( ) For Δx R OM, C1 (Δx) e x dl (3) ROM 1 1 C C C ( x) 1 i δs x ROM δs e xi ROM 1 δs xi e δs x S xi ROM = e S S xi ( x R OM ) ( x ROM ) ( S xi ROM )

19 Προσομοίωση σφαλμάτων δs R = i OM e S S xi OM ( S x R ) Παράμετροι που διαμορφώνουν το σχετικό σφάλμα δs/s Μήκος σε Ε ex =0 (x i ), x i : μm Διακριτική ικανότητα (R OM ), R OM : μm Σχετική μεταβολή μήκους -strain (S), S:

20 Προσομοίωση σφαλμάτων Επίδραση μήκους σε Ε ex =0 (x i ) και διακριτικής ικανότητας (R OM ) δs R = i OM e S S xi OM ( S x R ) S= (PZT) S=0.005 (PMN-PT)

21 Προσομοίωση σφαλμάτων Επίδραση σχετικής μεταβολής μήκους (S) και αρχικού μήκους πλευράς (x i ) δs R = i OM e S S xi OM ( S x R ) R OM =0.10 μm R OM =0.30 μm

22 Προσομοίωση σφαλμάτων Επίδραση σχετικής μεταβολής μήκους (S) και διακριτικής ικανοτητας (R OM ) δs R = i OM e S S xi OM ( S x R ) x i =2 mm x i =3 mm

23 Προσομοίωση σφαλμάτων δs R = i OM e S S xi OM ( S x R ) Αυτοσυνεπής & λογική συμπεριφορά δs/s με μεταβολή παραμέτρων: S, R OM, x i S R OM x i δs/s

24 Προσομοίωση σφαλμάτων Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 S~10-4 R OM ~0.35 μm x i =5 mm δs/s 5%

25 Επίδραση μαγνητικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς συντελεστές για το υβριδικό σύστημα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3-5% Fe 3 O 4 z z s NdFeB magnet 20 mm H ex (koe) H ex =40 Oe H ex (z s )=1 koe ±40 Oe z s z (mm) H s (koe) r (mm) δείγμα Ομοιογένεια Η ex κατά μήκος του πάχους και της ακτίνας του δείγματος

26 Επίδραση μαγνητικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς συντελεστές για το S zx (10-5 ) S zx (10-5 ) S zx (10-5 ) nd round 5 th round 7 th round υβριδικό σύστημα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3-5% Fe 3 O 4 E (kv/cm) d zi S E zi z d zx (pm/v) Εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου H ex 1 koe d zy (pm/v) Sequence of recorded loops H ex H ex Sequence of recorded loops Οι πιεζοηλεκτρικοί συντελεστές d zx, d zy μεταβάλλονται κατά ~15% με την εφαρμογή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

27 Επαναληψιμότητα αποτελεσμάτων για δείγματα Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3-5% Fe 3 O 4, διαφορετικών σχημάτων/διαστάσεων d zy (pm/v) mm mm with magnet on Sequence of recorded loops d zy (pm/v) mm mm with magnet on Sequence of recorded loops d zy (pm/v) mm with magnet on Sequence of recorded loops Μείωση πιεζοηλεκτρικών συντελεστών d zy κατά ~15-20% με την εφαρμογή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μαγνητοηλεκτρική σύζευξη στα όρια των διεπιφανειών των μαγνητικών και σιδηροηλεκτρικών περιοχών

28 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Eργασίες υπό συγγραφή: Modulation of piezoelectric coefficients under magnetic field application in a magnetoelectric PZT-5% Fe 3 O 4 system Highlighting the accuracy of local optical method in the estimation of d ij piezoelectric coefficients, via strain simulation Eργασία που υποβλήθηκε: Electric-field control of the remanent-magnetic-state relaxation in a magnetoelectric PZT-5% Fe 3 O 4 system

29 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Συμπεράσματα Προσομοίωσεις έδειξαν ότι με την κατάλληλη επιλογή παραμέτρων το σχετικό σφάλμα στο strain μπορεί να περιοριστεί σε δs/s 5% Η εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, H ex, σε δείγμα PZT-5%Fe 3 O 4 προκαλεί μείωση των d zi κατά ~15-20%. Το γεγονός αυτό το αποδίδουμε στην παρουσία μαγνητοηλεκτρικής σύζευξης στις διεπιφάνειες των σιδηροηλεκτρικών και μαγνητικών περιοχών. Oλοκλήρωση συγγραφής εργασιών Μελλοντικοί Στόχοι Μελέτη υμενίων (Co) εναποτεθειμένα σε ΠΕ υπόστρωμα ((1-x)[Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 ]- x[pbtio 3 ] με x~0.33

30 Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2018 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών