There has been much interested in $(1-x)Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3-xPbTiO_3$ ((1-x)PYN-xPT) near morphotropic phase boundary (MPB), due to their good electrical, dielectric and piezoelectric properties.
In this study, The (1-x)PYN-xPT solid solutions were prepared by standard ceramic technique from antiferroelectric $Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ (PYN) and ferroelectric $PbTiO_3(PT)$ to find out the crystal structure changes, dielectric properties, density, and phase transition behavior near MPB using X-ray diffraction, permittivity and E-P hysteresis in (1-x)PYN-xPT for $0.44 \leqq x \leqq 0.56$ and to make the whole phase diagram of (1-x)PYN-xPT changing $PbTiO_3$ composition for $0.30 \leqq x \leqq 0.90$.
XRD measurements show the structural deviations of the solid solutions from pseudocubic $(0.30 \leqq x \leqq 0.44)$ to tetragonal $(0.54 \leqq x \leqq 0.90)$ on increasing $PbTiO_3$ substitution and represent the coexistence of pseudocubic and tetragonal phase near MPB compositions $(0.46 \leqq x \leqq 0.52)$.
From the dielectric constant measurements, The dielectric constant has a maximum value at x=0.46 and its maximum value of dielectric constant decreases with PT composition higher than x=0.46 but phase transition temperature increases whole composition range $(0.30 \leqq x \leqq 0.90)$ For the binary system in this study, secondary dull peaks were observed at x=0.44, 0.46, 0.48 below the observed phase transition temperature. In case of the E-P hysteresis, The maximum remanent polarization $(P_r=36.8 μC/cm^2)$ and minimum coercive field $(E_c=8.5 kV/cm)$ are observed at x=0.46. The phase diagram of (1-x)PYN-xPT near MPB with temperature is presented and the effects of $PbTiO_3$ substitution on $Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ are discussed.
Finally, The phase coexistence near the MPB could be calculated using Landau-Devonshire equation represented by polynomials of the spontaneous polarization parameter. The 4th and 6th order parameters can be verified by the spontaneous polarization vs. temperature curve using calculation. It is possible to make a phase diagram of (1-x)PYN-xPT by Landau-Devonshire equation. Phase diagrams expressed by experiment and by fitting from Landau-Devonshire free energy equation are compared.
$(1-x)Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3-xPbTiO_3$ (이하 (1-x)PYN-xPT) 고용계에서 Morphotropic Phase Boundary (이하 MPB)에서의 세라믹스들은 유전상수가 크고 압전성 등의 특성이 우수하다고 보고되어 왔으며 이런 이유로 많은 사람들의 주목을 받고 있다.
본 연구에서는 대표적인 antiferroelectric인 $Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ (이하 PYN)와 ferroelectric 물질로 알려져 있는 $PbTiO_3$ (이하 PT)를 전통적인 고상합성법으로 합성하였다. PYN에 PT를 고용시킨 (1-x)PYN-xPT 고용계에서 MPB의 구조적인 변화, 유전적인 특성, 밀도, 상전이 경향을 관찰하기 위해서 PT의 조성을 $0.44 \leqq x \leqq 0.56$ 로 변화시키며 X-ray diffraction, permittivity and E-P hysteresis등의 실험을 수행하였다. 또한 기존의 알려져 있는 (1-x)PYN-xPT의 완전한 상태도를 구현하기 위해서 PT의 조성을 0.30?x?0.90으로 변화시키며 동일한 실험을 수행하였다.
XRD측정의 경우 PT의 치환량을 변화시키며 소결할 경우 구조의 변화가 관찰되었다. PT의 치환량이 $0.30 \leqq x \leqq 0.44$ 의 경우 pseudocubic의 상으로 존재하였으며 $0.54 \leqq x \leqq 0.90$ 의 PT 치환량에서는 tetragonal로 존재하는 것을 관찰할 수 있었다. MPB 영역이라고 생각되는 $0.46 \leqq x \leqq 0.52$ 의 경우에서는 pseudocubic과 tetragonal상이 공존하는 것을 확인 할 수 있었다.
유전상수 실험에서는 PT의 치환량이 증가할수록 겉보기 상전이 온도는 증가했다. $0.30 \leqq x \leqq 0.46$ 의 범위에서는 PT의 치환량이 증가할수록 Maximum 유전상수의 값은 증가했으며 x=0.46에서는 가장 높은 유전상수 값을 나타내었다. 이후 PT의 치환량을 변화시킨 $0.48 \leqq x \leqq 0.90$ 의 구간에서는 PT의 치환량이 증가함에 따라 유전상수의 값은 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. Binary system인 (1-x)PYN-xPT에서 secondary dull peaks은 x=0.44, 0.46, 0.48의 조성에서 상전이 온도가 일어나기 이전에 발견 되었다.
전기이력곡선 측정의 경우, x=0.46의 조성에서 maximum remanent polarization $(P_r=36.8 μC/cm^2)$ 값과 minimum coercive field $(E_c=8.5 kV/cm)$ 값이 관찰되었다. 이러한 실험을 바탕으로 얻은 data를 바탕으로 온도와 PT의 치환량으로 표현된 (1-x)PYN-xPT의 상태도와 MPB영역에서의 상태도를 표현하며 PYN에 PT가 치환될 경우의 현상을 설명한다.
마지막으로 MPB에서의 상공존 현상은 spontaneous polarization parameter의 polynomial로 표현된 Landau-Devonshire equation으로 계산을 할 수 있다. 4차항과 6차항의 order parameter들은 자발분극과 온도와의 fitting에 의해 확인할 수 있다. 또한 Landau-Devonshire equation으로 (1-x)PYN-xPT의 MPB의 범위를 규정할 수 있으며 (1-x)PYN-xPT의 상태도에서 MPB line의 기울어지는 현상을 Landau-Devonshire equation을 이용한 열역학적인 관점에서 설명하였다. 본 연구의 마지막 부분에서는 실험으로 구현하고 Landau-Devonshire free energy equation으로부터 계산한 (1-x)PYN-xPT의 상태도를 비교하였다.
