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17/01/03 Hichem DAMMAK, Structures et Piézoelctricité de PZN-x%PT 1
Transitions de phasesphases etpropriétés piézoélectriques de
monocristaux dePb(Zn1/3Nb2/3)(1-x)TixO3
HichemHichem DAMMAKDAMMAK
Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides
17/01/03 Hichem DAMMAK, Structures et Piézoelctricité de PZN-x%PT 2
Maître de conférences à l’ECP depuis Septembre 1994
Effets d’irradiation
Simulations numériques
Effets d’irradiation
Simulations numériques
Transitions de phases
Oxydes ferroélectriques
Thèse 91-94
Ions poly-atomiques C60
1994 1999 2003Phases ferroélectriques et piézoélectricité dans PZN-PT
Service de mesures diélectriques
94 -
Piézoélectricité géante
99 -
2001
Transitions de phasesdans les métaux purs induites par irradiations aux ions monoatomiques
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Plan
Transitions de phasesphases dans les métaux&
forte excitation électronique
PhasesPhases ferroélectriques &
piézoélectricité de monocristaux dePb(Zn1/3Nb2/3)(1-x)TixO3
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Transitions de phases dans les métaux
& forte excitation électronique
Collaboration
A. Dunlop, M. Angiolini (Post doc.)
LSI, Polytechnique
Irradiations aux ions Fullerènes : Tandem, Orsay
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Forte excitation électronique
0,1
1
10
100
1000
10-6 10-5 0,0001 0,001 0,01 0,1 1
ions U >> Titane-(d
E/dx
) [ke
V/n
m]
Energie [GeV]
Se
Sn
Mécanisme d’endommagement des
métaux ?
0,1
1
10
100
1000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1
ions C60
>> Titane
-(dE/
dx) [
keV
/nm
]
Energie [GeV]
Se
Sn
v/c ~ 0,1 v/c ~ 0,001
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Propriétés du Titane
P (GPa)
Pression statique ou onde de choc
Changement de phase dans une trace ?
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Endommagement du Ti Ar, ... U (~1GeV)
1010
1011
1012
1013
1014
20 30 40 50
Flue
nce
[ions
/cm
2 ]
[keV/nm]
amas
défauts
ponctuels
α (hcp)ω (hex.)
Température
20-90K
recouvrement des traces
Traces
Changement de phase dans une trace ?
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C20 → C60Traces géantesTi
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70
Dia
mèt
re [n
m]
[keV/nm]
Pb, Ta, U
C20
- C60
300K
Effet de la vitesse de l’ion
Densité d’énergie déposée keV/nm3
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Changement de phase dans une traceC60 , 30 MeV
300 K
90 K90 K
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Résultat de la conversion d’énergie
onde de choc + Échauffement
électrons δ
~50 eV
~1nm
100eV/atome
conversion
Réponse du métal
Propriétés structurales (T, P)
Énergie déposée =
énergie cinétique (collectif)
+ énergie cinétique
(dés.)
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Phases ferroélectriques &
piézoélectricité de monocristaux dePb(Zn1/3Nb2/3)(1-x)TixO3
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Contexte & Moyens
• Thèses: A. Idoumou Ould (1997), A. Lebon (2001), A. Renault (2002)
• Collaboration: P. Gaucher, M. Pham Thi Thales (TRT Orsay, TUS Sofia )
Sonars, Sondes échographiques
• Synthèse: ECP (SPMS), Thales (TRT)
• Structure: Diffraction RX (SPMS), Raman (Amiens)
• Diélectrique-Piézoélectrique: SPMS, TRT
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0
1 104
2 104
3 104
4 104
5 104
300 350 400 450 500
1.0 kHz10.0100.0
χ
T (K)
Pérovskites complexes et solutions solides
• Simple: Ba2+Ti4+O3, PbTiO3 (PT),
• Complexe désordonnée: Pb[Mg2+
1/3Nb5+2/3]O3 (PMN),
Pb[Zn1/3Nb2/3]O3 (PZN),Pb[Sc3+
1/2Nb5+1/2]O3 (PSN)
• Solution: PMN-x%PT, PZN-x%PT
A
B
O
PbTiO3
770K
~390KRel
axeu
r→Fe
rroé
lect
rique
PZN
C
R C
T
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Les composés PZN-x%PTStructure
Park et al (97)
Piézoélectricité
T(K)
S3= d33 E3Structure cristallographique
Structure en domainesMorphotropique
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0
1 104
2 104
3 104
92,5 93 93,5 94 94,5
u.a.
2θ(°)
330T
303T
300 K
PS
T(K)
9%
g30-3
E
30-3M
303M 033M
330M
M
Om
onoc
liniq
ue
4,5%
Orthorhom
bique
0
2 1 0 4
4 1 0 4
6 1 0 4
8 1 0 4
3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0
perm
ittiv
ité re
lativ
e
T (K )
F CZ F H / F C [1 0 -1 ]
~ 1 5 K
CTR
1 .4 3 2
1 .4 3 4
1 .4 3 6
1 .4 3 8
1 .4 4
3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0
d 20-2
T (K )
F C [1 0 -1 ]
CTR
perm
ittiv
ité
Nouvelles phases
a = 4,0617; c = 4,0628b = 4,027Å; β = 90,19°
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T(K)
M
OCoexistence de phases
~ 50K
9%CTM
M+TVol
ume
Å3
T (K) T (K)
para
mèt
res d
e m
aille
PZN
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T(K)
M
OHystérésis thermiqueBaTiO3 : O ↔ T
< 10K
4.5%
CTR
9%
~ 30KTM Cpe
rmitt
ivité
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T(K)
PZN
Monodomaine
M
OContraintes aux interfaces entre domaines
100 nm – 10 µm
PS
g005 E
• Interprétation des profils des raies de diffraction !
Polydomaine
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T(K)
M
OCinétiques LentesPolarisation
×=τ∞ )T,E(
tf)T(P)t(P
PZNChangement de phases
9%
0
1000
2000
3000
4000
38 39 40 41 42
u. a
.
2θ(°)
Rapide (10K/mn)460 - 100K
Lente (0.5K/mn)400 - 100 K
(002)
• Paramètres importants !dT/dt, E, dE/dt
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États polarisésEtats polarisésEtat spontané
[001]C[-101]C
12M 4M 1M
12O 4O 1O
8R
[001]C [111]C
1R4R
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Modes de déformation piézoélectrique
3 2
PE
Mode (33) Mode (31) Mode (15)
1
d33 , s33 d31 , s11 d15 , s55
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Piézoélectricité du poly-domaine
~ 15112184s33 (pN/m2)Longitudinal
~ 67%
~ 400
4O
BaTiO3
86%85%k31
11141110d31[110]38%38%84%k31[100]
8271840d31Transverse
89%93%k33
20482730d33 (pm/V)[001]
4R4M
PZN4.5PTPZN9%PTÉtat poly-domaines [001]
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Changement de symétrie
PZNR→MA
c−a : 0,000→ 0,002Åα : 89,93 → 89,85°
OMC
RMA
ab
c
E
Faible champ électrique ~1 kV/cm
9%Distorsion
monoclinique4,5%c−a : 0,001→ 0,004Åβ : 90,19 → 90,17 °R→MA
Ohwada 2001
Fort champ électrique >~5 kV/cm8%
R→MA →MC →T →OOhwada 2001Noheda 2002
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Piézoélectricité du mono-domaine
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200
d33
(θ) [pC/N][001]
[-101]
[101]
1263
θ
P0
200
400
600
800
1000
1200
0
30
60
90
120
210
240
270
300
330
d31
[001]/[uv0]
- --985 [100]
[010]
-416
[110][-110]
-191
Forte anisotropie
90%
2147
40
1O
KNbO3
80%k15
320013
d15 (pm/V)d15/d33
[001],[100]
190s55 (pN/m2)Cisaillement1M
PZN9%PTÉtat Mono-domaine[10-1]
Approximation
Phase O
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Origine de la piézoélectricité géante
0
1000
2000
3000
4000
5000
250 300 350 400
d33
(pC/N)
T (K)
OMC
RMA
ab
c
E
4,5%
9%
Microscopique• Aptitude à changer de symétrie• Énergies des phases très proches• Phénomènes pré-transitionnels
Morphotropique
↓
Proximité d’une transition de phase
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Origine de la piézoélectricité géanteMacroscopique
• Forte densité de domaines: +
• Forte anisotropie↓
• Contraintes dynamiques induites
PZN-PT KNbO3
)s,d(fd ieff
i αβαα =
Forte compliance élastique sαβFaible distorsion ferroélectrique
↓
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Perspectives• Extension à d’autres composés :
– PMN-PT, PSN-PT (R. Haumont, B. Dkhil, J.M. Kiat)
• Étude de transducteurs large bande utilisant les monocristaux: (C. Augier, P. Gaucher, M. Pham Thi)
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Perspectives
• Rôle du désordre microscopique: (+2; +5)simulation numérique
Phase cubique en moyenne
Moment dipolaire électrique local
Monte Carlo
M. Hayoun, LSI, Polytechnique
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Perspectives
• Nanopoudres – Nanomatériaux « Relaxeurs »
microstructure des domaines
Nanodomainespolaires ~50 nm
Cristal micro-grain nano-grain→ →
Lyophilisation
Grains de BaTiO3
(J. Carreaud, C. Bogicevic, B. Dkhil, J.M. Kiat)
Homogénéiténanopoudre → Céramique
17/01/03 Hichem DAMMAK, Structures et Piézoelctricité de PZN-x%PT 30
FIN
Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides