Geri Dön

Polarization switching and fatigue anisotropy in relaxor-lead titanate ferroelectric single crystals

Relaksör-kurşun titanat ferroelektrik tek kristallerde polarizasyon çevrimi ve yorulma anizotropisi

PDF İndir

  1. Tez No: 845111
  2. Yazar: METİN ÖZGÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CLIVE A. RANDALL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Seramik Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Ceramic Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2003
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: The Pennsylvania State University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 218

Özet

Ferroelektriklerdeki polarizasyon ve elektrik alan arasındaki histerezis davranışı, kalıcı (non-volatile) bellek uygulamalarında kullanılır. Kalıcı bellekler, harici bir elektrik alan gerektirmeden bilgiyi saklayabilme yeteneği nedeniyle çekicidir, yani bir yedek pil gibi. Kalıcı bellek cihazlarının tipik olarak hasarlı okuma içermesi, işlem sırasında ferroelektriğin birçok elektriksel döngüye dayanmasını gerektirir. Ancak, tekrarlanan polarizasyon tersine çevirmeye bağlı olarak döngüsel yükün (switching charge) azalması iri hacimli (bulk) ve ince film ferroelektriklerde yorulma olarak bilinen yaygın bir sorundur. Ferroelektrik malzemeler üzerine gerçekleştirilen temel çalışmalar, yorulma mekanizmalarının kökenini anlamak için oldukça önemlidir. Ferroelektrik filmlerde yorulmayı aşmak için çeşitli ilerlemeler kaydedilmiştir, örneğin oksit elektrotların kullanımı veya yorulma göstermeyen davranış sergileyen katmanlı tip ferroelektriklerin kullanımı gibi. Ancak, bu stratejileri uygularken çözülmesi gereken belirli sorunlar hala mevcuttur. Bu çalışmada, yorulma anizotropisi, romboedral Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PZN-PT) tek kristallerinde keşfedildi. Elektrik alanı [001]C veya [110]C doğrultuları boyunca uygulandığında, tek kristaller yorulma yaşamaz, ancak [111]C doğrultuları boyunca normal yorulma meydana gelir. Daha ileri çalışmalar, yorulma anizotropisinin kaynağını PZN-PT ve diğer ferroelektrik sistemlerde incelemeye odaklandı. Deneyler; kompozisyon, sıcaklık ve elektrik alan gücüne bağlı olarak eğer ferroelektrikten ferroelektriğe bir faz geçişi meydana gelirse (romboedral --->tetragonal gibi) normalde“yorulma içermeyen”doğrultularda da yeniden yorulmanın ortaya çıktığını gösterdi. Bu sonuçlar, yorulma oranlarının hem ferroelektrik faz yapısına hem de kristalografik yönelime bağlı olduğunu göstermektedir. Yorulma anizotropisi, aynı zamanda hem relaksör tabanlı hem de normal ferroelektrikleri içeren diğer bazı ferroelektrik sistemlerde de araştırıldı. Normal ferroelektrik BaTiO3 ve BaZrO3 ile olan katı çözeltileri, [001]C doğrultularında romboedral fazda yorulma anizotropisi sergilemedi. Bu çalışmalardan görünen o ki, yorulma göstermeyen yönelimler için haricen belirlenmiş domain yapılarının (yönelim) ve relaksör ferroelektrik doğasının bir kombinasyonu gereklidir. PZN-PT tek kristallerinin relaksör ferroelektrik doğası göz önüne alındığında, koersif alanın altında bir elektriksel etkiyle uyarılan polarizasyonun döngüsel ve gevşeme elektrik alan ve frekans bağımlılığı, yorulma geçmişi göz önüne alınarak incelendi. Bir power law fit, [001]C için daha az elektrik alan ve frekans bağımlılığı vermektedir. Tekrarlanan elektriksel alan ve polarizasyon döngüsü boyunca da bu davranış sabit kalmaktadır. Ancak, [111]C'de yorulmaya bağlı olarak güçlü bir elektrik alan ve frekans bağımlılığı gözlendi. Polarizasyon gevşemesi (relaxation) verileri, bir gerilmiş üstel fonksiyon (stretched exponential function) kullanılarak analiz edildi. Fitting parametreleri, [001]C boyunca gevşeme için daha geniş bir zaman sabiti dağılımını göstermektedir, bu da yük döngüsü sürecine daha çeşitli katkıların olduğu anlamına gelir. Bu parametrelerin aynı zamanda [001]C doğrultusunda döngü boyunca sabit kaldığı görülmüştür. Diğer taraftan, [111]C boyunca daha dar bir zaman sabiti dağılımı ve daha yüksek gerilmiş üstel bir katsayı belirlendi. Yorulma süreci ile beraber [111]C boyunca değişiklikler meydana gelir. Bu gözlemler, geleneksel P-E döngülerinde görülen döngüsel polarizasyon sinyalinden daha yavaş bileşenlerin progresif kaybı ile uyumludur. Son olarak, yorulma (döngü) geçmişi göz önüne alındığında PZN-4.5PT tek kristallerinde [001]C ve [111]C yönelimlerinde optik mikroskopi yapıldı. Yorulma süreci ile birlikte, [111]C boyunca domainler daha fraktal (kesikli) hale geldi, [001]C boyunca ise geniş bir boyut aralığıyla daha ince domainlerin varlığı dikkati çekti. Eğer bu gözlemler yüksek büyütme mikroskop ile doğrulanabilirse, mikroskopik domain görüntüleri makroskopik elektriksel karakterizasyon bulguları ile uyumludur. Bu, [001]C romboedral kristallerinde çok ince ölçekte bir domain yapısının varlığının, döngü sırasında polarizasyonu etkili bir şekilde kilitlemeyi son derece zorlaştıracağı anlamına gelir. Sonuç, dikkate değer bir yorulma direncidir.

Özet (Çeviri)

The hysteretic behavior of ferroelectrics relating polarization and electric field, is utilized for nonvolatile memory applications. Nonvolatile memories are attractive due to the ability to hold information without requiring an external field; i.e., a buck-up battery. One of the critical features of nonvolatile memory devices is typically destructive reading, requiring the ferroelectric to endure large number of electrical cycles during operation. However, decrease of switching charge due to repeated polarization reversal, known as fatigue, is a common problem in bulk and thin film ferroelectrics. Fundamental studies of ferroelectric materials are essential in understanding the origin of fatigue mechanisms. There have been a number of advances to overcome fatigue in ferroelectric films, such as the utilization of oxide electrodes, or using layered type ferroelectrics that exhibit fatigue-free behavior. There still exist certain issues which need to be solved when employing these strategies. In this study, fatigue anisotropy was discovered in rhombohedral Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PZN-PT) single crystals. When the electric field is applied along [001]C or [110]C orientations, single crystals do not fatigue, while normal fatigue occurs along [111]C orientations. Further studies focused on the study of the origin of fatigue anisotropy in PZN-PT and other ferroelectric systems. Experiments consistently showed that if a ferroelectric to ferroelectric phase transition occurs (i.e, rhombohedral --->tetragonal) through composition, temperature, and field strength, fatigue reappears in otherwise“fatigue-free”orientations. These results indicated that the fatigue rates depend on both the ferroelectric phase and crystallographic orientation. Fatigue anisotropy was investigated also in several other ferroelectric systems including both relaxor based and normal ferroelectrics. Normal ferroelectric BaTiO3 and its solid solutions with BaZrO3 did not exhibit fatigue anisotropy in the rhombohedral phase in [001]C orientations. From these studies it seems a combination of engineered domain states (orientation) and relaxor nature is required for fatigue free orientations. Given the relaxor ferroelectric nature of PZN-PT single crystals, the field and frequency dependence of switching and relaxation of sub-coercive field dc field excited polarization were studied as a function of fatigue history. A power law fit gives less field and frequency dependence for [001]C. The behavior remains constant throughout cycling. However, strong field and frequency dependence was noted in [111]C as a function of fatigue. Polarization relaxation data was analyzed by a stretched exponential function. Fitting parameters indicate a broader time constant distribution for relaxation along [001]C, meaning more diverse contribution to the switching process. These parameters also remained constant with cycling along [001]C. On the other hand, a narrower time constant distribution with a higher stretched exponent was determined along [111]C direction. With fatigue evolution, changes occur along [111]C. These observations are consistent with the progressive loss of the slower elements from the switched polarization signal, demonstrated in conventional P-E loops. Finally, optical microscopy was performed in PZN-4.5PT single crystals along [001]C and [111]C orientations as a function of fatigue (cycling) history. With fatigue evolution, domains became more fractal (discontinuous) along [111]C, whereas the presence of finer domains with a wide size range was noted along [001]C. If these observations can be confirmed by a high magnification microscopy, the microscopic domain pictures are consistent with the macroscopic electrical characterization findings. This would suggest that the presence of domain structure at a very fine scale in [001]C rhombohedral crystals may make it extremely difficult to effectively pin the polarization out on cycling. The result is considerable fatigue resistance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    844949

    Electrochemical phenomena in piezoelectric ceramics leading to polarization fatigue

    Piezoelektrik seramiklerde polarizasyon yorulmasına yol açan elektrokimyasal olgular

    METİN ÖZGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Metalurji MühendisliğiThe Pennsylvania State University

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CLIVE A. RANDALL

  2. Tez No

    166862

    Preparation of PLZT thin films by chemical solution deposition and their characterization

    PLZT ince filmlerin kimyasal çözeltiden biriktirme yöntemiyle hazırlanışı ve karakterizasyonu

    BURKAN KAPLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MACİT ÖZENBAŞ

  3. Tez No

    711088

    Piezoelectric Plate Sensor for in situ Genetic Detection of Hepatitis B Virus in Serum without DNA Isolation and Amplification

    DNA İzolasyonu ve Amplifikasyonu Olmadan Serumda Hepatit B Virüsünün Yerinde Genetik Tespiti için Piezoelektrik Plaka Sensörü

    MEHMET ÇAĞRI SOYLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    BiyomühendislikDrexel University

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. WAN Y. SHIH

  4. Tez No

    488065

    Amaca uygun olarak yansıma ve iletim karakteristikleri değiştirilebilen yapısal yüzey malzemesi

    Design for the structural surface material at which reflection and transmission characteristics can be controlled

    BORA DÖKEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KARTAL

  5. Tez No

    648328

    The decision to stay loyal or defect: The impact of polarization on vote switching

    Sadık kalma ya da ayrılma kararı: Kutuplaşmanın oy değiştirme üzerine etkisi

    ŞEYMA TOPÇU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Siyasal BilimlerSabancı Üniversitesi

    Siyaset Bilimi Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT MORAL

Geri Dön