Transitions de phases et propriétés piézoélectriques de …spms-appli.ecp.fr/perso/hichem/habilitation/Expose_HDR.pdf · 2012. 8. 8. · 17/01/03 Hichem DAMMAK, Structures et

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


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


Plan

Transitions de phasesphases dans les métaux&

forte excitation électronique

PhasesPhases ferroélectriques &

piézoélectricité de monocristaux dePb(Zn1/3Nb2/3)(1-x)TixO3


Transitions de phases dans les métaux

& forte excitation électronique

Collaboration

A. Dunlop, M. Angiolini (Post doc.)

LSI, Polytechnique

Irradiations aux ions Fullerènes : Tandem, Orsay


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


Propriétés du Titane

P (GPa)

Pression statique ou onde de choc

Changement de phase dans une trace ?


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 ?


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


Changement de phase dans une traceC60 , 30 MeV

300 K

90 K90 K


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.)


Phases ferroélectriques &

piézoélectricité de monocristaux dePb(Zn1/3Nb2/3)(1-x)TixO3


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


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


Les composés PZN-x%PTStructure

Park et al (97)

Piézoélectricité

T(K)

S3= d33 E3Structure cristallographique

Structure en domainesMorphotropique


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°


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


T(K)

M

OHystérésis thermiqueBaTiO3 : O ↔ T

< 10K

4.5%

CTR

9%

~ 30KTM Cpe

rmitt

ivité


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


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


États polarisésEtats polarisésEtat spontané

[001]C[-101]C

12M 4M 1M

12O 4O 1O

8R

[001]C [111]C

1R4R


Modes de déformation piézoélectrique

3 2

PE

Mode (33) Mode (31) Mode (15)

1

d33 , s33 d31 , s11 d15 , s55


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]


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


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


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


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

↓


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)


Perspectives

• Rôle du désordre microscopique: (+2; +5)simulation numérique

Phase cubique en moyenne

Moment dipolaire électrique local

Monte Carlo

M. Hayoun, LSI, Polytechnique


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


FIN

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Documents

Transitions de phases et propriétés piézoélectriques de …spms-appli.ecp.fr/perso/hichem/habilitation/Expose_HDR.pdf · 2012. 8. 8. · 17/01/03 Hichem DAMMAK, Structures et