Dependence of the Permittivity and of the Electrocaloric Effect on the Ferroelectric Ceramics Grain Size

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We consider the problem of determining the permittivity and the electrocaloric effect in the model of a ferroelectric ceramics grain. We assume that a grain consists of a spherical ferroelectric core coated with a dielectric shell and placed into a dielectric matrix. The transition layer thickness is assumed small as compared to the grain size. The dependence of the polarization on the electric field in the core is given by the nonlinear Ginzburg–Landau equation. The polarization reversal is induced by a change in the electric field that is considered uniform at large distance from the grain. The electrostriction effect in the core–shell–matrix three-phase system produces an elastic field described by linear equations. To take into account the effect of domain walls on the physical characteristics of the ceramics in the given model, we propose that the Kittel–Mitsui–Furuichi approach be used. The proposed computational algorithm makes it possible to refine the dependence of the number of domains on the spherical grain size. The electrocaloric effect in the grain is represented by the combination of the primary and secondary effects that appear due to ordering of dipole moments of the ferroelectric with the perovskite structure; by way of example, we consider the barium titanate ceramics. For this material, we report on the results of calculations of the dependences of the permittivity and individual electrocaloric effect components on the grain size.

About the authors

A. S Starkov

ITMO University

Email: ferroelectrics@ya.ru
197101, St. Petersburg, Russia

I. A Starkov

All-Russia Research Institute of Fats

Author for correspondence.
Email: ferroelectrics@ya.ru
191119, St. Petersburg, Russia

References

  1. A. Starkov, O. Pakhomov, and I. Starkov, Ferroelectrics 14, 108 (2014).
  2. G. Suchaneck, O. Pakhomov, and G. Gerlach, Electrocaloric Cooling, InTechOpen, London (2017).
  3. A. Greco, C. Aprea, A. Maiorino, and C. Masselli, Int. J. Refrig. 106, 66 (2019).
  4. Y. V. Sinyavsky and V. M. Brodyansky, Ferroelectrics 131, 321 (1992).
  5. B. C. Kim, K. W. Chae, and C. I. Cheon, J. Korean Phys. Soc. 76, 226 (2020).
  6. И. А. Старков, А. С. Анохин, И. Л. Мыльников, М. А. Мишнев, А. С. Старков, ФТТ 4, 443 (2022).
  7. J. H. Qiu and Q. Jiang, J. Appl. Phys. 105, 034110 (2009).
  8. Дж. Най, Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц, Изд-во иностр. лит., Москва (1960).
  9. А. С. Старков, И. А. Старков, ЖЭТФ 146, 297 (2014).
  10. А. Л. Холкин, В. А. Трепаков, Г. А. Смоленский, Письма в ЖЭТФ 32, 103 (1982).
  11. Е. П. Смирнова, Г. Ю. Сотникова, Н. В. Зайцева, А. А. Капралов, Г. А. Гаврилов, Письма в ЖТФ 44, 49 (2018).
  12. N. A. Pertsev, A. G. Zembilgotov, and A. K. Tagantsev, Phys. Rev. Lett. 80, 1988 (1998).
  13. M. Vrabelj, H. Urˇsiˇc, Z. Kutnjak, B. Roˇziˇc, S. Drnovˇsek, A. Benˇcan, V. Bobnar, L. Fulanoviˇc, and B. Maliˇc, J. Eur. Ceram. Soc. 36, 75 (2016).
  14. T. Hoshina, S. Wada, Y. Kuroiwa, and T. Tsurumi, Appl. Phys. Lett. 93, 192914 (2008).
  15. A. Y. Emelyanov, N. A. Pertsev, S. Ho mann-Eifert, U. B¨ottger, and R. Waser, J. Electroceram. 9, 5 (2002).
  16. А. С. Старков, О. В. Пахомов, И. А. Старков, ЖЭТФ 143, 1144 (2013).
  17. B. A. Strukov, S. T. Davitadze, S. G. Shulman, B. V. Goltzman, and V. V. Lemanov, Ferroelectrics 301, 157 (2004).
  18. T. Hoshina, J. Ceram. Soc. Jpn. 121, 156 (2013).
  19. I. A. Starkov and A. S. Starkov, J. Nanophotonics 10, 033503 (2016).
  20. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, Наука, Москва (1992).
  21. В. И. Алешин, Кристаллография 36, 1352 (1991).
  22. О. Г. Вендик, Н. Ю. Медведева, С. П. Зубко, Письма в ЖТФ 34, 13 (2008).
  23. A. S. Starkov, I. A. Starkov, A. I. Dedyk, G. Suchaneck, and G. Gerlach, Phys. Stat. Sol. (b) 255, 1700245 (2018).
  24. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теория упругости, Наука, Москва (1987).
  25. А. С. Старков, И. А. Старков, ЖЭТФ 146, 980 (2014).
  26. В. Г. Эдвабник, Современные проблемы науки и образования 1-2, 76 (2015).
  27. Л. А. Апресян, Т. В. Власова, В. И. Красовский, В. И. Крыштоб, С. И. Расмагин, ЖТФ 90, 1175 (2020).
  28. L. D. Landau and E. M. Lifshits, Phys. Z. Sowjetunion 8, 153 (1935).
  29. C. Kittel, Phys. Rev. 70, 965 (1946).
  30. T. Mitsui and J. Furuichi, Phys. Rev. 90, 193 (1953).
  31. A. K. Tagantsev, J. Fousek, and L. E. Cross, Domains in Ferroic Crystals and Thin Films, Springer, New-York (2010).
  32. G. Arlt, D. Hennings, and G. de With, J. Appl. Phys. 58, 1619 (1985).
  33. A. M. Bratkovsky and A. P. Levanyuk, AIP Conf. Proc. 535, 218 (2000).
  34. Y. Huan, X. Wang, J. Fang, and L. Li, J. Eur. Ceram. Soc. 34, 1445 (2014).
  35. Y. Tan, J. Zhang, Y. Wu, Ch. Wang, V. Koval, B. Shi, H. Ye, R. McKinnon, G. Viola, and H. Yan, Sci. Rep. 5, 1 (2015).
  36. B. Dai, X. Hu, R. Yin, W. Bai, F. Wen, J. Deng, L. Zheng, J. Du, P. Zheng, and H. Qin, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 28, 7928 (2017).
  37. N. A. Pertsev and A. G. Zembilgotov, J. Appl. Phys. 78, 6170 (1995).
  38. Z. Zhao, V. Buscaglia, M. Viviani, M. T. Buscaglia, L. Mitoseriu, A. Testino, M. Nygren, M. Johnsson, and P. Nanni, Phys. Rev. B 70, 024107 (2004).
  39. Y. L. Li, L. E. Cross, and L. Q. Chen, J. Appl. Phys. 98, 064101 (2005).
  40. P. Marton, I. Rychetsky, and J. Hlinka. Phys. Rev. B 81, 144125 (2010).
  41. M. E. Lines and A. M. Glass, Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials Oxford Univ. Press, Oxford (1977).
  42. V. A. Lukacs, M. Airimioaei, L. Padurariu, L. P. Curecheriu, C. E. Ciomaga, A. Bencan, G. Drazic, M. Avakian, J. L. Jones, G. Stoian, M. Deluca, R. Brunner, A. Rotaru, and L. Mitoseriu, J. Eur. Ceram. Soc. 42, 2230 (2022).
  43. В. И. Смирнов, Курс высшей математики, т. 2., Наука, Москва (1974).
  44. А. С. Старков, О. В. Пахомов, И. А. Старков, Письма в ЖЭТФ 91, 556 (2010).
  45. G. G. Wiseman and J. K. Kuebler, Phys. Rev. 131, 2023 (1963).
  46. D. L. Shan, C. H. Lei, Y. C. Cai, K. Pan, and Y. Y. Liu, Int. J. Solids Struct. 216, 59 (2021).
  47. R. P. S. M. Lobo, N. D. Mohallem, and R. L. Moreira, J. Amer. Ceram. Soc. 78, 1343 (1995).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».