Elsevier

Annales de Chimie Science des Matériaux

Volume 26, Issue 1, January–February 2001, Pages 99-106
Annales de Chimie Science des Matériaux

Piezoelectric properties of perovskite ferroelectrics: unsolved problems and future research

Get rights and content

Abstract

This article reviews recent advances in the studies of the piezoelectric properties of perovskite materials. Perovskite compositions are the best known and the largest family of ferroelectric and piezoelectric materials. The dependence of the longitudinal, d33, piezoelectric coefficient on crystallographic orientation was examined in single crystals of BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, KNbO3, relaxor-ferroelectric solid solutions [e.g. Pb(Mg13Nb23)O3-PbTiO3 and Pb(Zn13Nb23)O3-PbTiO3] and Na12Bi12TiO3. In most cases the largest piezoelectric coefficient was found in a direction which does not coincide with the polarization direction. In relaxor ferroelectrics, some compositions near the morphotropic phase boundary (MPB) exhibit very large piezoelectric (2000 pC/N) and coupling coefficients (k33 > 90%). These results are discussed in terms of so-called engineered domain structure and crystal anisotropy. The article also discusses evidence for the presence of a monoclinic phase between the rhombohedral and tetragonal phases at the MPB in Pb(Zr, Ti)O3.

Résumé

Propriétés piézo-électriques des perovskites ferroélectriques : problèmes non résolus et recherches futures. Cet article recense l'avancement des travaux les plus récents sur les propriétés piézoélectriques des matériaux perovskites. Les composés perovskites forment la plus grande famille de matériaux ferroélectriques et piézo-électriques et ils sont également les mieux connus. Récemment, la variation du coefficient piézoélectrique longitudinal, d33, en fonction de l'orientation cristallographique a étéétudiée dans des monocristaux de BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)P3, KNbO3, des solutions solides de relaxeurs ferroélectriques [e. g. Pb(Mg13Nb23)O3-PbTiO3 et Pb(Zn13Nb23)O3-PbTiO3] et Na12Bi12TiO3. Dans la plupart des cas, le coefficient piézoélectrique le plus important a été trouvé dans une direction ne coïncidant pas avec la direction de polarisation. Certaines compositions, pour les relaxeurs ferroélectriques, voisines de la phase morphotropique montrent un coefficient piézoélectrique d33 (2000 pC/N) et un coefficient de couplage k33 (90%) extrêmement importants. Ces résultats sont discutés en termes de structure de domaines, créés par le champ électrique, et d'anisotropie cristalline. L'article examine également, dans le domaine de composition morphotropique de Pb(Zr, Ti)O3, la présence possible d'une phase monoclinique s'intercalant entre les phases quadratique et rhombohédrique.

References (27)

  • R.J. Nelmes et al.

    The crystal structure of tetragonal PbTiO3 at room temperature and at 700K,''

    Solid State Comm.

    (1985)
  • J.M. Herbert
    (1982)
  • M.E. Lines et al.
    (1979)
  • B. Jaffe et al.
    (1971)
  • G. Robert et al.

    Phase diagram for the 0.4 Pb(Ni13Nb23)O3 - 0.6 Pb(Zr,Ti)O3 solid solution in the vicinity of a morphotropic phase boundary

    J. Am. Ceram. Soc.

    (1998)
  • T. Takenaka et al.

    (Bi12Na12)TiO3-BaTiO3 system for lead-free piezoelectric ceramics

    Jpn. J. Appl. Phys.

    (1991)
  • S.E. Park et al.

    Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals

    J. Appl. Phys.

    (1997)
  • Y.-M. Chiang et al.

    Lead-free high-strain single-crystal piezoelectrics in the alkaline-bismuth-titanate perovskite family

    Appl. Phys. Lett.

    (1998)
  • X.-H. Du et al.

    Crystal orientation dependence of piezoelectric properties of lead zirconate titanate near the morphotropic phase boundary

    Appl. Phys. Lett.

    (1998)
  • Z. Yu et al.

    Orientation dependence of the ferroelectric and piezoelectric behavior of Ba(Ti1-xZrx)O3 single crystals

    Appl. Phys. Lett.

    (2000)
  • K. Nakamura et al.

    Orientation dependence of electromechanical coupling factors in KNbO3

    IEEE Transactions UFFC

    (2000)
  • B. Noheda et al.

    Tetragonal-to-monoclinic phase transition in a ferroelectric perovskite: The structure of PbZr0.52Tb0.48O3

    Phys. Rev. B

    (2000)
  • M.J. Haun et al.

    Thermodynamic theory of the lead zirconate-titanate solid solution system, Part V: Theoretical calculations

    Ferroelectrics

    (1989)
  • Cited by (0)

    View full text