Etude des transitions de phase et des mouvements de parois de domaines dans les céramiques ferroélectriques à base de titanate de baryum par mesures du module élastique et des pertes mécaniques
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In this work we have studied the anelastic behaviors of barium titanate ceramics. We have measured the mechanical losses and the longitudinal and the shear elastic modulus as function of temperature from - l80°C to 150°C. The mechanical vibration frequencies used are between 0. 01 Hz and several kHz. We have also complete the frequency range to 100 kHz par the dielectric measurements. The phase transitions are perfectly identified by the anomalies of elastic modulus. The measurements of elastic modulus is more sensible than the permittivity to the phase transitions. The relaxation peaks as function of temperature are observed in the ceramics no-doped with large grains sizes. All of those peaks can be analyzed by the Arrhenius relationship. The activation energy of the peaks are 0. 29, 0. 47, 0. 68, and 0. 92 eV, respectively, and the relaxation time is about 10E-14 s. For all the peaks. Those peaks could be explained by the interaction of point defects with the movement of domain walls. The temperature of the relaxation peaks can pass from one phase to another one for different vibration frequencies. Which suppose that certain configurations of domain structures have a memory effect. In the doped samples, the measurements of elastic modulus allow us to study the influences of dopants on the temperatures of phase transitions with high precision. For the ceramics doped with Nb (donor) and Co (acceptor) the mechanical and dielectric losses are reduced in the tetragonal and orthorhombic phases so the variations of the permittivity conform to the X7R specification. For the relaxation peak observed in the ceramic doped with Co, the activation energy is about 0. 3 eV and can be associated with the diffusion of oxygen vacancy. The relaxation peak in the ceramic doped with Nb (2-4 at %) could be associated to the diffusion of simple ionised barium vancany.
Abstract FR:
Au cours de ce travail nous avons étudié le comportement anélastique des céramiques de BaTi03. Nous avons mesuré les pertes mécaniques Q-1 et le module élastique longitudinal ou de cisaillement en fonction de la température de -180°C à 150°C. Les fréquences de vibrations mécaniques sont comprises entre 10-2 Hz et quelques kHz. Nous avons également complété la gamme de fréquences par des mesures diélectriques jusqu'à 100 kHz. Les transitions de phases sont bien déterminées par les anomalies de module élastique. Des pics de relaxation en fonction de la température sont constatés dans les céramiques non-dopées à gros grains. Tous ces pics peuvent être analysés par la relation d'Arrhénius. Les énergies d'activations H des pics de relaxation sont respectivement 0. 29, 0,47, 0,68, 0,92 eV, et des temps de relaxation limite t0 de l'ordre de grandeur 10E-14s pour tous ces pics. Ces pics pourraient être expliqués par l'interaction des défauts ponctuels avec le mouvement de parois de domaines. Les températures de pics de relaxation peuvent passer d'une phase à l'autre pour les différentes fréquences de vibration. Ceci implique que certaines configurations des parois de domaines ont un effet mémoire. Dans les échantillons dopés, les mesures des modules élastiques nous permettent d'étudier l'influence des dopants sur la température de transition de phase avec grande précision. Spécialement, pour la céramique BaTi03 dopées au Nb (donneur) et Co (accepteur) avec la norme de X7R, la variation de module élastique est plus sensible à la transition de phase que la variation de la permittivité. Les pertes mécaniques et diélectriques sont réduites dans la phase quadratique par le dopant Nb et dans la phase orthorhombique par le dopant Co. Ainsi, la variation de la permittivité reste inférieure à ±15% de la permittivité à l'ambiante de -55°C à +125°C. Pour le pic de relaxation observé dans la céramique dopée au Co, l'énergie d'activation est environ 0,3 eV et peut être relié à la diffusion de lacune d'oxygène. Le pic de relaxation dans la céramique dopé Nb (2 - 4 at % Nb) pourrait être relié à la diffusion de la lacune de baryum simplement ionisée.