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
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
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)
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, 094108 (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)
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: 50-100 nm) 1. Ομογενοποίηση των συστατικών 2. Συμπίεση με υδραυλική πρέσσα, P=100 Τon 3. Πυροσσυσωμάτωση σε Τ=1000 0 C, για t=2h, στον αέρα
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: 50-100 nm) 1. Ομογενοποίηση των συστατικών 2. Συμπίεση με υδραυλική πρέσσα, P=100 Τon 3. Πυροσσυσωμάτωση σε Τ=1000 0 C, για t=2h, στον αέρα R (Ohm) 10 9 10 7 T=300 K 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fe 3 O 4 concentration, x (% w/w) PZT-5% Fe 3 O 4 I ( A) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 500 T=300 K 400 20% 5% 300 200 100 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 E ex (kv/cm) Υψηλή αντίσταση R> 200 ΜΩ Παραμένει μονωτής τουλάχιστον έως E ex =4 kv/cm
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)
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 +10 +400 kv/cm -10 kv/cm 0 kv/cm
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)
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
(ΙΙ) Σφάλμα λόγω ολίσθησης μηχανικών μερών της διάταξης (οπτική πλατφόρμα και OM stage) Shift x ( m) 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15 T=15 0 C -0.20 0 15 30 45 60 75 90 105120 t (min) Shift y ( m) 0.0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 T=15 0 C 0 15 30 45 60 75 90 105120 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
Με τις κατάλληλες ενέργειες/διορθώσεις η συνεισφορά των σφαλμάτων (Ι), (ΙΙ), (ΙΙΙ) είναι < 10% Κύρια πηγή σφάλματος: (ΙV) Σφάλμα ανάγνωσης μήκους πιεζοηλεκτρικών παραμορφώσεων
E ex =0 kv/cm x i L(E ex =0) O
E ex =+6 kv/cm x f L(E ex 0) O
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
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
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)
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 )
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 : 1000-3000 μm Διακριτική ικανότητα (R OM ), R OM : 0.1-0.5 μm Σχετική μεταβολή μήκους -strain (S), S:0.0005-0.005
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=0.0005 (PZT) S=0.005 (PMN-PT)
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
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
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
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%
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) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 H ex =40 Oe H ex (z s )=1 koe ±40 Oe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 z s z (mm) H ex @z s (koe) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4-10 -5 0 5 10 r (mm) δείγμα Ομοιογένεια Η ex κατά μήκος του πάχους και της ακτίνας του δείγματος
Επίδραση μαγνητικού πεδίου στους πιεζοηλεκτρικούς συντελεστές για το S zx (10-5 ) S zx (10-5 ) S zx (10-5 ) 10 5 0-5 -10-15 10 5 0-5 -10-15 10 5 0-5 -10 3 nd round 5 th round 7 th round -15-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 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) 240 230 220 210 200 190 180 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sequence of recorded loops 260 250 240 230 H ex H ex 220 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sequence of recorded loops Οι πιεζοηλεκτρικοί συντελεστές d zx, d zy μεταβάλλονται κατά ~15% με την εφαρμογή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
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) 260 240 220 7 mm 200 7 mm with magnet on 1 2 3 4 5 6 Sequence of recorded loops d zy (pm/v) 300 250 200 5 mm 150 5 mm with magnet on 1 2 3 4 5 6 Sequence of recorded loops d zy (pm/v) 350 300 250 200 150 6 mm with magnet on 1 2 3 4 5 6 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
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
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
Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Αθήνα, 2018 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών