THE STRUCTURAL, FERROELECTRIC, DIELECTRIC, AND ELECTROMECHANICAL PROPERTIES OF PIEZOELECTRIC AND ELECTROSTRICTIVE MATERIALS

Abstract

Piezoelectric materials are used in an increasing number of applications and submitted to a wide range of temperatures, frequencies, pressures, and voltages. Such diverse environmental conditions result in a non-linear piezoelectric response that is difficult to characterize, and the presence of impurities, dopants, and defects add to the complexity of predicting how a material will perform once it is manufactured, especially given the sensitivity of the manufacturing process. Also, recent environmental regulations require new lead-free piezoelectric materials to be developed and studied. The object of this thesis is to further the knowledge with respect to the structural, ferroelectric, dielectric, and electromechanical properties of piezoelectric and electrostrictive materials in order to facilitate the development of new piezoelectric materials and help optimize current applications. Scanning electron microscope pictures of EC-65, EC-69, and EC-76 were taken, and X-ray diffraction patterns of PLZT 9.5 were obtained at room temperature. Polarization curves were obtained for EC-65, PLZT 9.5, BM-941, BM-600, BM-150, and PMN-PT for electric fields ranging from 0 to ±1000 kVm-1 and temperatures ranging from -40°C to 120°C. Impedance analysis was used to determine the relative permittivity and the dielectric loss tangent of EC-69, PLZT 9.0, PLZT 9.5, and BM-941 for electric fields ranging from 0 to ±2000 kVm-1 and temperatures ranging from -40°C to 140°C with frequencies ranging from 1 kHz to 5000 kHz. Finally, the AC strain amplitude of PLZT 9.0 and BM-941 were obtained for AC electric fields ranging from 0 to ±1000 kVm-1 and a DC bias ranging from 0 to ±1500 kVm-1. Overall, the measurements obtained build upon the current knowledge of piezoelectric materials, support results obtained by other researchers, and present new results that can be used to develop new materials and optimize current applications.

Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans un nombre croissant d’applications les soumettant à un large éventail de températures, de fréquences, de pressions et de voltages. Ces conditions environnementales instables engendrent une réponse piézoélectrique non-linéaire qui est difficile à caractériser. De plus, la présence d’impuretés, de dopants et d’imperfections rendent le processus de production et de fabrication précaire et instable. Puis, de nouvelles lois environnementales exigent une diminution de l’utilisation du plomb dans l’industrie de l’électronique et exigent que de nouveaux matériaux piézoélectriques sans plomb soient développés. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les connaissances des propriétés structurelles, ferroélectriques, diélectriques et électromécaniques des matériaux piézoélectriques et électrostrictifs afin de faciliter le développement de nouveaux matériaux piézoélectriques et d’optimiser les applications actuelles. Des images de EC-65, EC-69 et EC-76 ont été prises par microscopie électronique à balayage et des réseaux de diffraction à rayons X de PLZT 9.5 ont été capturés. Des courbes de polarisation ont été obtenues pour EC-65, PLZT 9.5, BM-941, BM-600, BM-150 et PMN-PT pour des champs électriques variant de 0 à ± 1000 kVm-1 et des températures variant de -40°C à 120°C. L’analyse de l’impédance a été utilisée pour déterminer la permittivité relative et la tangente de perte diélectrique de EC-69, PLZT 9.0, PLZT 9.5 et BM-941 pour des champs électriques variant de 0 à ±2000 kVm-1 et des températures variant de -40°C à 140°C pour des fréquences variant de 1 kHz à 5000 kHz. Finalement, l’amplitude de la déformation de PLZT 9.0 et BM-941 a été obtenue pour des champs électriques AC variant de 0 à ±1000 kVm-1 avec des champs électriques DC variant de 0 à ±1500 kVm-1. Dans l’ensemble, les mesures obtenues ajoutent aux connaissances actuelles sur les matériaux piézoélectriques, soutiennent des résultats obtenus par d’autres chercheurs et présentent également de nouveaux résultats qui pourront être utilisés dans le développement de nouveaux matériaux piézoélectriques et pour l’optimisation des applications actuelles.