Effets de taille dans les poudres et céramiques de composés ferroélectriques relaxeurs à base de plomb PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3
Institution:
Châtenay-Malabry, Ecole centrale de ParisDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Dans ce travail, nous avons étudié l’effet de taille sur les propriétés diélectriques et structurales (diffration X, spectroscopie Raman) de poudres et céramiques de composés ferroélectriques relaxeurs à base de plomb PMN(1-x)PTx avec x = 0 (relaxeur) ; 0. 20 ; 0. 35 (morphotropique) et 1 (classique). Les tailles de grain explorées sont comprises typiquement entre environ 10 nm et 4 microns. Parmi les différentes techniques d'élaboration utilisées, lyophilsation, voie citrate-gel et mécanosynthèse, les poudres de plus faible granulométrie (10-20 nm) ont été obtenues par mécanosynthèse. Les techniques de frittage sous charge uniaxiale et SPS (Spark Plasma Sintering) ont permis d’obtenir des céramiques de densité relative > 95% avec des tailles de grain de ≈ 110 nm. Lorsque la taille de grain diminue :1) Le maximum de la constante diélectrique diminue et devient de plus en plus diffus en température. 2) Dans les composés présentant une transition de phase structurale, PMN-PT20, PMN-PT35 et PT, la température de la transition diminue et la structure devient de moins en moins distordue. Ainsi, à température ambiante, la polarisation de PMN-PT20 tourne dans le plan monoclinique Cm et suit la direction rhomboédrique R3m en dessous de ≈ 200 nm. PMN-PT35 monoclinique devient cubique aux plus petites tailles (15 nm). Dans PT, nous avons déterminé par extrapolation une taille critique comprise entre 4 et 10 nm. 3) Le comportement diélectrique de PMN (relaxeur) et PMN-PT35 (ferroélectrique) change :Dans PMN, la relaxation diélectrique diminue puis disparaît en dessous d’une taille critique r < ≈ 30 nm alors qu'elle apparait en dessous de ≈ 200nm dans PMN-PT35.
Abstract FR:
We have studied size effects on dielectric and structural properties (X-Ray diffraction, Raman spectroscopy) of the lead-based relaxor system PMN(1-x)PTx with x = 0 (relaxor) ; 0. 20 ; 0. 35 (morphotropic) and 1 (classical). Sizes studied here are in the range of about 10 nm up to 4microns. Among the elaboration methods used, freeze-drying, citrate-gel and mechanochemical processes for the nanopowder synthesis, powders with the smallest grain size (10-20 nm) were obtained by mechanochemical synthesis. Ceramics with a relative density > 95% and grain size of about 110 nm were prepared by hot pressing and SPS. When diminishing the grain size, we observe: 1) The dielectric maximum decreases and becomes more and more diffuse2) For compounds having a structural phase transition PMN-PT20, PMN-PT35, and PT, the temperature associated with this transition and their structural distortion both decreases. At room temperature, the polarisation of PMN-PT20 rotates in the monoclinic plane Cm to finally reach the rhomboedral R3m direction below ≈ 200 nm with no diminishing in the amplitude of the polarisation. PMN-PT35, with monoclinic structure at micrometric sizes, transforms into a cubic phase at very small size (≈ 15 nm). In PT, by extrapolation of the tetragonal distortion for the lowest grain size, we found a critical grain size of 4 to 10 nm in agreement with the literature values. 3) The dielectric behaviour of PMN (relaxor) and PMN-PT35 (ferroelectric) changes:In PMN, the dielectric relaxation decreases and vanishes below a critical size of about 30 nm whereas in PMN-PT35 it appears below ≈ 200 nm.