Electric properties and domain structure in Ba(Ti,Sn)O3 Ceramics

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1 Electric properties and domain structure in Ba(Ti,Sn)O3 Ceramics
Ki-Young Oh, Kenji Uchino and L.Eric Cross International center for actuators and transducers,materials research laboratory, The pennsylvania university,university park,PA 16802 윤용진

2 Abstract The Ba(Ti,Sn)O3 ceramic’s Optical study was attempted to explain dielectric properties. Domain structures and motions in Ba(Ti1-x ,Snx)O3 (x=0,0.05,0.1,0.13) ceramics were observed under an electric field at various temperatures using a high resolution CCD microscope system. The Ba(Ti1-x ,Snx)O3 ceramics showed a significant difference in domain structures and motions with changing in the composition the domain structure became tiny and complex with increasing X. Changes of domain structures due to the phase transitions were also observed with varying temperature. The result of domain observations can explain the electrical properties well.

3 1.introduction Observation of domain structures and domain motion is very useful for understanding the physical properties of ferroelectric materials because domains are fundamentally associated with ferroelectricity This paper concerns the domains in Ba(Ti,Sn)O3 ceramics Ba(Ti,Sn)O3 solid solutions are known as typical relaxor ferroelectric material These materials may provide a new category of useful actuator ceramics. Our investigation is focused on the domain motion in these materials as a means of analyzing the electrical characteristics.

4 2.Experimental procedure
BaTiO3 (BT), Ba(Ti0.95 ,Sn0.05)O3 (BTS-5), Ba(Ti0.9 ,Sn0.1)O3 (BTS-10), Ba(Ti0.87 ,Sn0.13)O3 (BTS-13) Mixed powders were calcined at 1100 oC for 2 hours Disk 13mm in diameter were pressed and sintered 1350 oC for hours in air Sintered disks were sliced and polished in thickness Gold electrodes were sputtered on the sample surfacewith a gap of 800 Silver wires were attached to the electrode as shown Fig.2 Fig 1. configuration of CCD microscope system Fig 2. configuration of sample

5 3.Ressults and Discussions
Fig 3. 은 온도에 따른 유전율을 보여주고 있다. BT,BTS-5,BTS-10,BTS-15의 큐리 온도는 그림에서와 같이 oC , 85.7 oC , 46.1 oC , 25.3 oC 로 Sn의 함량이 증가함에 따라 감소하는것을 볼수 있다. Fig 3. permittivity vs temperature characteristics of BTS samples

6 3.Ressults and Discussions
Phase stabilities in the system Pb(Ti1-xZrx)O3 상경계(몰포트로픽 transformation) :온도,조성에 의해 결정계가 바뀌는 것

7 3.Ressults and Discussions
Fig 4. field induced polariztion characteristics of BTS samples Sn 의 함량에 따라 큐리온도의 변화와 상경계의 변화를 초래되어 위와 같은 P-E 히스테리시스 곡선을 보이게 된다.

8 3.Ressults and Discussions
그림1 BaTiO3 자기의 분극 처리 그림2 강유전성 자기의 변위곡선 그림1은 자기에 직류전계를 가하여 일정한 방향으로 분역이 형성되며 전계방향으로는 변위가 늘어나며 전계의 직각방향으로는 줄어든다. 그림2는 자기에 대하여 가해진 전계와 전계방향의 변위와의 관계를 나타내며 그림과 같이 나비형 히스테리시스를 보여준다.

9 3.Ressults and Discussions
Fig 5. field induced strain characteristics of BTS samples Fig 5 는 가해진 전계에 따라 변위곡선을 나태낸 것이며 Sn의 함량에 따라 큐리온도의 변화와 상경계의 변화를 초래되어 그림과 같은 나비형 히스테리시스 곡선을 보여준다.

10 3.Ressults and Discussions
Fig 6. domain structures of BTS samples at room temperature Fig 7. domain structures of BTS samples at high temperature Fig 6.에서 BT는 명확한 분역벽이 보이며 넓이가 비교적 크다 그러나 Sn함량이 많아 질수록 분역벽이 작고 잘 보이지 않고 큰 입계는 보이지 않는다. Fig 7.은 큐리온도 이상에서 분역벽은 작고 보이지 않게 되는데 이는 큐리온도 이상에서는 정방정계를 이루기 때문이다.

11 3.Ressults and Discussions
Fig 8. domain structures of BTS samples at low temperature Fig 9.Variation of domain structures of BT sample under an electric field Fig 8.에서 낮은 온도에서 BT는 분역벽 구별이 어려우며 몇몇의 큰 분역이 방추형으로 분리된다 이는 정방정계에서 사방정계로 전이했기 때문이다 또한 BTS-5는 큰 변화는 보이지 않는데 이는 사방정계에서 능면체로 전이 했기 때문이다. BTS-10,13의 분역 크기는 작아지고 분역벽의 구별이 어려워 진다. Fig9. 은 상온에서 kv/cm의 전계를 가했을때 BT sample은 90,180o 의 분역으로 바뀐다.

12 3.Ressults and Discussions
Fig 10.Variation of domain structures of BTS-10 sample under an electric field Fig 11.Variation of domain structures of BTS-13 sample under an electric field Fig 10은 BTS-10에 10kv/cm의 전계를 가하게 되면 작은 분역이 성장하며 복잡한 분역이 크고 단순해 진다. 전계를 끊어주면 다시 처음의 상태로 되돌아 간다. Fig-11은 BTS-13에 5kv/cm에서 분역벽이 관찰되며 그 이상의 전계나 전계가 zero일경우에는 분역벽이 사라진다.

13 4.Conclusions 이러한 작은 분역 배열은 강유전체와 비교적 비슷하다.
Ba(Ti,Sn)O3 의 분역 구조는 Sn의 함량에 따라 크게 작아 진다. 이러한 작은 분역 배열은 강유전체와 비교적 비슷하다. Ba(Ti,Sn)O3 와 Ba(Ti0.95 ,Sn0.05)O3 (BTS-5)의 분역 운동은 전계 내에서 히스테리시스 곡선을 나타내며 Ba(Ti0.9 ,Sn0.1)O3 (BTS-10) 와 Ba(Ti0.87 ,Sn0.13)O3 (BTS-13) 은 히스테리시스 곡선을 나태내지 않는다. 즉 이는 우수한 nonhysteretic 특성으로 Ba(Ti,Sn)O3의 변위 곡선을 잘 설명할수 있다.