بررسی ویژگی‌های پیزوالکتریکی تک‌بلور PIN-PMN-PT آلاییده با Mn و بکارگیری آن در ساخت مبدل الکتروآکوستیکی

عزیزی, یحیی; یزدان مهر, محسن; کازرانی وحدانی, محمدرضا; احمدوند, حسن

بررسی ویژگی‌های پیزوالکتریکی تک‌بلور PIN-PMN-PT آلاییده با Mn و بکارگیری آن در ساخت مبدل الکتروآکوستیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

یحیی عزیزی ¹

محسن یزدان مهر ¹

محمدرضا کازرانی وحدانی ²

حسن احمدوند ¹

¹ مجتمع دانشگاهی علوم کاربردی نوین، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

² مجتمع دانشگاهی هوادریا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران.

چکیده

در این پژوهش، تک‌بلور فروالکتریک ریلکسور 0.24PIN-0.46PMN-0.3PT آلاییده با 2%Mn، با استفاده از روش انجماد گرادیان عمودی (VGF) رشد داده شد و ویژگی‌های دی‌الکتریک، پیزوالکتریک و فروالکتریک آن در جهت ]001 [ بررسی شد. نتایج نشان داد که این تک‌بلور در دمای اتاق دارای ثابت دی‌الکتریک (3085 )، ضریب جفت‌شدگی الکترومکانیکی(9/0 ) و ضریب بار پیزوالکتریک (pC/N 1450 ) است. مقایسه پاسخ فرستندگی و حساسیت گیرندگی مبدل ساخته‌شده با تک‌بلور نسبت به مبدل‌های ساخته‌شده با سرامیک‌های بس‌بلور PZT-5و PZT-4 نشان داد پاسخ فرستندگی بیشینه المان‌های تک‌بلور Mn:PIN-PMN-PT حدود dB 5/7 بالاتر از PZT-5 و برابر با PZT-4 است، درحالی‌که پهنای باند فرستندگی آن‌هاkHz 17 است که بین پهنای باند PZT-4 (kHz 5) وPZT-5 (kHz 20) قرار دارد. همچنین حساسیت گیرندگی المان‌های تک‌بلور Mn:PIN-PMN-PT در بیشینهdB 5 بالاتر از PZT-5 و dB 10 بالاتر از PZT-4 است، هرچند پهنای باند گیرندگی آن‌ها نسبت به PZT-4 (kHz 2) و PZT-5 (kHz 4) کمتر است، که بیانگر پتانسیل بالای آن‌ها برای کاربردهای فرستنده و گیرنده در مبدل‌های آکوستیکی است. ترکیب این ویژگی‌های پیزوالکتریک برجسته، همراه با میدان وادارنده و پایداری حرارتی بالا، نشان می‌دهد که تک‌بلور PIN-PMN-PT آلاییده با منگنز گزینه‌ای مستعد و مؤثر برای کاربرد در مبدل‌های توان بالا است.

کلیدواژه‌ها

فروالکتریک واهلشی

تک‌بلور

ضریب جفت‌شدگی الکترومکانیکی

ضریب بار پیزوالکتریک

میدان وادارنده

مبدل‌

20.1001.1.24767131.1403.10.1.2.4

موضوعات

مبدل ها و ترانسدیوسرها

عنوان مقاله English

Investigation of the Piezoelectric Properties of Mn-Doped PIN-PMN-PT Single Crystal and Its Application in Electro-Acoustic Transducer Fabrication

نویسندگان English

Yahya Azizi ¹

Mohsen Yazdanmehr ¹

Mohammad Reza Kazerani Vahdani ²

Hassan Ahmadvand ¹

¹ Faculty of Applied Sciences, Malek Ashtar University of Technology, Iran

² Faculty of Naval Aviation, Malek Ashtar University of Technology, Iran

چکیده English

In this study, a 2 mol% Mn-doped 0.24PIN-0.46PMN-0.3PT relaxor ferroelectric single crystal was grown using the vertical gradient freeze (VGF) method. Its dielectric, piezoelectric, and ferroelectric properties were characterized along the crystallographic direction. At room temperature, the single crystal exhibited a dielectric constant (ε_r) of 3085, an electromechanical coupling coefficient (k_33) of 0.9, and a piezoelectric charge coefficient (d_33) of 1450 pC/N. Comparative analysis of the transmitting response and receiving sensitivity of transducers fabricated from this single crystal versus those made from polycrystalline PZT-5 and PZT-4 ceramics revealed that the maximum transmitting response of Mn:PIN-PMN-PT single crystal elements is approximately 7.5 dB higher than that of PZT-5 and comparable to PZT-4. The transmitting bandwidth of the single crystal transducer is 17 kHz, which lies between the bandwidths of PZT-4 (5 kHz) and PZT-5 (20 kHz). Additionally, the receiving sensitivity of the Mn:PIN-PMN-PT single crystal elements is up to 5 dB higher than PZT-5 and 10 dB higher than PZT-4, although their receiving bandwidth is narrower compared to PZT-4 (2 kHz) and PZT-5 (4 kHz). These results highlight the high potential of Mn:PIN-PMN-PT single crystals for use as both transmitters and receivers in acoustic transducers. The combination of outstanding piezoelectric properties, high coercive field, and excellent thermal stability suggests that Mn-doped PIN-PMN-PT single crystals are promising candidates for high-power transducer applications.

کلیدواژه‌ها English

Relaxor ferroelectric

Single crystal

Electromechanical coupling coefficient

Piezoelectric charge coefficient

Coercive field

Transducer

[1]. Huo X, Zhang S, Liu G, Zhang R, Luo J, Sahul R, Cao W and Shrout T R. Complete set of elastic, dielectric, and piezoelectric constants of [011]_C poled rhombohedral Pb (In_1/2Nb_1/2)O₃ -Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃: Mn single crystals. Journal of Applied Physics. 2013. 113(7).

[2]. Xie Q, Hu Y, Xue S, Ma J, Zhao X, Tang Y, Wang F, Chew K H, Lin D and Luo H. Phase transition, domain structure and electrical properties of Mn-doped 0.3Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-0.4Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃ crystals. Materials Chemistry and Physics. 2019. )238(: 121890.

[3]. Liu Y, Xu Z, Li Z, Zhuang Y, Tian Y, Hu D, Song K and Guo H. Effect of segregation on Mn-doped relaxor-PT single crystal. Journal of Alloys and Compounds. 2018. )742(: 958-65.

[4]. Guo R, Li S, An D, Han T, Chen J and Cao W. Comprehensive analysis of Mn: PIN-PMN-PT single crystals for Class IV flextensional transducer. Ceramics International. 2018. 44(3) :2864-68.

[5]. Sun E. Relaxor-based ferroelectric single crystals: Growth, domain engineering, characterization and applications. Progress in materials science. 2014. )65(:124-210.

[6]. Li F, Zhang S, Xu Z, Wei X and Shrout T.R. Temperature independent shear piezoelectric response in relaxor-PbTiO₃ based crystals. Applied physics letters. 2010. 97(25).

[7]. Bai W, Guo F, Qiu R, Zhou H, Chen Y, Long W and Xi Z. The effects of Eu³⁺ doping on the piezoelectric property and temperature stability of the 0.15PSN-0.52PMN-0.33PT ceramics. Journal of Alloys and Compounds. 2023; )960(:171088.

[8]. Li C, Xu B, Lin D, Zhang S, Bellaiche L, Shrout T.R and Li F. Atomic-scale origin of ultrahigh piezoelectricity in samarium-doped PMN-PT ceramics. Physical Review B: 2020; 101(14):140102.

[9]. Yang Y, Sun E, Xu Z, Zheng H, Yang B, Zhang R and Cao W. Sm and Mn co-doped PMN-PT piezoelectric ceramics: defect engineering strategy to achieve large d₃₃ and high Q_m. Journal of Materials Science & Technology: 2023; )137(:143-151.

[10]. Qi X, Sun E, Wang J, Zhang R, Yang B and Cao W. Electromechanical properties of Mn-doped Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb (Mg_1/3Nb_2/3)O₃- PbTiO₃piezoelectric ceramics. Ceramics International. 2016;42(14):15332-15337.

[11]. Karun R.J, Design and Testing of a Single-Crystal, Low-Frequency, Dualresonant Shear-Mode Transducer for Sonar Applications. The Pennsylvania State University. 2018.

[12]. Sahul R. Effect of manganese doping on PIN-PMN-PT single crystals for high power applications. The Pennsylvania State University. 2014.

[13]. Sherlock N.P. Relaxor-PT single crystals for broad bandwidth, high power sonar projectors. The Pennsylvania State University. 2010.

] 14[. احتشامی محمدزارع، شاهمیرزایی حسین.طراحی هیدروفون حساسیت بالا با بهره گیری از لایه نازک پیزوالکتریک روی ترانزیستور ماسفت. هیدروفیزیک. 1399؛ 117-109.

] 15[. امانت بنت الهدی، خلیل آزاد مهدی. انالیز مشخصات ارتعاشی پیزوکامپوزیت بر پایه PMN-PT. هیدروفیزیک. 1401؛ 152-145.

[16]. Zhang S, Luo J, Hackenberger W and Shrout T.R. Characterization of Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃–Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–PbTiO₃ ferroelectric crystal with enhanced phase transition temperatures. Journal of applied physics. 2008; 104(6).

[17]. Hosono Y, Yamashita Y, Hirayama K and Ichinose N. Dielectric and piezoelectric properties of Pb[(In_1/2Nb_1/2)_0.24 (Mg_1/3Nb_2/3) _0.42Ti_0.34]O₃ single crystals. Japanese journal of applied physics. 2005; 44(9S):7037.

[18]. Davis M. Picturing the elephant: Giant piezoelectric activity and the monoclinic phases of relaxor-ferroelectric single crystals. Journal of Electroceramics. 2007; (19):25-47.

[19]. Liu F, Chen J, Zhu R, Zhao J, Xue S, Du Q, Wang F and Luo H. Temperature Dependence of Electrical Properties and Phase Transition Characteristics of [001]‐Oriented Rhombohedral Mn‐0.15PIN‐0.55PMN‐0.30PT Single Crystal. physica status solidi (a). 2019; 216(23):1900457.

[20]. Jiang Z.a.Y. Application study of Mn-doped PIN-PMN-PT relaxor ferroelectric crystal grown by vertical gradient freeze method. Ferroelectrics. 2020; 557(1):9-17.

[21]. Jiang Z, PMN-PT crystal of less defects and more uniformity. International Symposium on the Applications of Ferroelectric (ISAF). International Symposium on Integrated Functionalities (ISIF), and Piezoelectric Force Microscopy Workshop (PFM). 2015:56-9.

[22]. Jiang Z. Over-poling study of PMN-PT and PIN-PMN-PT crystal grown by Vertical Gradient Freeze method. International Symposium on the Applications of Ferroelectrics. European Conference on Application of Polar Dielectrics, and Piezoelectric Force Microscopy Workshop (ISAF/ECAPD/PFM). 2016:1-4.

[23]. Kim J, Moro T, Yamanaka S, Murayama I, Katou T, Nakayama T, Takeda M, Yamada N, Nishihata Y, Fukuda T and Tanaka H. Temperature stability of PIN-PMN-PT ternary ceramics during pyroelectric power generation. Journal of Alloys and Compounds. 2018; (768):22-7.

[24]. Hussain A, Sinha N, Bhandari S, Yadav H and Kumar B. Synthesis of 0.64Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–0.36PbTiO₃ ceramic near morphotropic phase boundary for high performance piezoelectric, ferroelectric and pyroelectric applications. Journal of Asian Ceramic Societies. 2016; 4(3):337-43.

[25]. Chen Y.H، Uchino K and Viehland D. Substituent Effects in 0.65Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O_3-0.35PbTiO₃ Piezoelectric Ceramics. Journal of Electroceramics. 2001;(6):13-9.

[26]. Fujii I, Nakashima S and Wada T. Fabrication of 0.24Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃‐0.42Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃‐0.34PbTiO₃ transparent ceramics by conventional sintering technique. Journal of the American Ceramic Society. 2019;102(3): 1240-48.

[27]. Lin D, Li Z, Li F, Xu Z and Yao X. Characterization and piezoelectric thermal stability of PIN–PMN–PT ternary ceramics near the morphotropic phase boundary. Journal of alloys and compounds. 2010;489(1):115-18.

[28]. Watson B.H, Brova M.J, Fanton M.A, Meyer Jr R.J and Messing G.L. Mn‐and Mn/Cu‐doped PIN‐PMN‐PT piezoelectric ceramics for high‐power transducers. Journal of the American Ceramic Society. 2020; 103(11):6319-29.

[29]. Xi Z, Bu Q, Fang P, Long W and Li X. Effect of frequency and temperature on dielectric relaxation of [111]-oriented 68PMN-32PT single crystals. Journal of alloys and compounds. 2015; (618):14-8.

[30]. Qin Y, Yan P, Han F, Zhang Y, Lv Z and Zhou C. The piezoelectric properties of transparent 75Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-25PbTiO₃:Pr³⁺ ceramics. Journal of Alloys and Compounds. 2022; 891 :161959.

[31]. Kumar K, Sinha N, Bhandari S and Kumar B. Enhanced dielectric and piezoelectric properties of Ta-doped 0.50(Na_0.5Bi_0.5) TiO₃–0.50(K_0.5Bi_0.5)TiO₃ lead-free ferroelectric ceramics. Ceramics International. 2015; 41(8): 10237-42.

[32]. Bhandari S, Sinha N, Ray G and Kumar B. Processing and properties of ferroelectric Bi_0.5(Na_0.65K_0.35)0.5TiO₃ ceramics under the effect of different sintering temperature. Scripta Materialia. 2014; (89):61-4.

[33]. Guo Q, Li F, Xia F, Gao X, Wang P, Hao H, Sun H, Liu H and Zhang S. High-performance Sm-doped Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃-PbTiO₃-based piezoceramics. ACS Applied Materials & Interfaces. 2019; 11(46):43359-67.

[34]. Dhar R, Tjossem R and Lynn K.G. High-pressure vertical Bridgman growth of lead magnesium niobate–lead titanate single crystal. Journal of crystal growth. 2010;312(7):971-77.