Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.13
no.4
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pp.699-707
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2010
Electric-field-induced electron emission from the three kinds of $Pb(Zr_{0.56}Ti_{0.44})O_3$ ferroelectric cathodes with different electrode structure has been investigated. Regardless of the electrode structures, a threshold field of the each cathode was 2.5-2.6kV/mm, which is 3 times higher than the coercive field of $Pb(Zr_{0.56}Ti_{0.44})O_3$ material. Although the waveform of the electron currents was affected by the structure of the electrode, no significant difference for the emission properties such as the peak current and the pulse width was observed from the three kinds of the cathodes. However, the current density of the cathode was dependent on the electrode structure. From the simulation of electric field distribution, the surface flashover, and the injury region of the cathode surface, it was proved that the prime electrons were initiated at the electrode-ceramic-vacuum triple point by field emission and the emission currents were strongly enhanced by the surface plasma.
To investigate the electrode structural effect on the ferroelectric electron emission, the electric field distribution in a 2-dimensional structure was calculated as a function of upper electrode diameter, and the switching charge density and emission charge were measured simultaneously. The simulation of the electric field distribution showed that an asymmetric electrode structure could cause a stray field on the bare surface of the ferroelectric cathode near the edge of upper electrode. The distance of stray field from the electrode edge increased with increasing ferroelectric thickness, but it did not depend on the upper electrode diameter. The switching charge density increased more on the cathode with smaller upper electrode diameter. This was attributed to the stray field on the bare ferroelectric surface near the electrode edge, because the stray field for the asymmetric ferroelectric cathode enhanced polarization switching near the electrode edge. From the switching charge density, the distance of stray field from the electrode edge was calculated as about 11-14${\mu}{\textrm}{m}$. The threshold voltage of electron emission was 61-68 kV/cm, which was almost 3 times lager than the coercive voltage. The threshold voltage was not determined just by coercive voltage, but by strength and distance of the stray-field, which largely depended on the geometrical structure of ferroelectric cathode.
The effect of the electrode type on the dielectric and piezoelectric properties of $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbZrO_3-PbTiO_3$ (PMN-PZT) single crystals was investigated in an effort to improve their properties for various piezoelectric applications. First, three different types of PMN-PZT single crystals [PMN-PZT-A (piezoelectrically soft type; dielectric constant ~ 10,000), PMN-PZT-B (piezoelectrically soft type; phase-transition temperature between the rhombohedral and tetragonal phases ($T_{RT}$) ~ $145^{\circ}C$), PMN-PZT-C (piezoelectrically hard type; high mechanical quality factor ($Q_m$) ~ 1,000)] were fabricated using the solid-state single crystal growth (SSCG) method. Then, four different types of electrodes [sputtered Au, sputtered Cr/Au, sputtered Ti/Au, and fired Ag] were formed on the single crystals, and their dielectric and piezoelectric properties were measured. The single crystals with a sputtered Ti/Au electrode showed the highest dielectric and piezoelectric constants but the lowest coercive electric field ($E_C$). The single crystals with a fired Ag electrode showed the lowest dielectric and piezoelectric constants but the highest coercive electric field ($E_C$). This dependence on the type of electrode was most significant in the piezoelectrically hard PMN-PZT-C single crystals. However, the effects of the electrode type on the phase transition temperatures ($T_C$, $T_{RT}$) and dielectric loss were negligible. These results clearly demonstrate that it is important to select an appropriate electrode so as to maximize the dielectric and piezoelectric properties of single crystals in each type of piezoelectric application.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.10
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pp.856-865
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2008
Damage mechanisms in bending piezoelectric actuators under electric fatigue loading are addressed in this work with the aid of an acoustic emission (AE) technique. Electric cyclic fatigue tests have been performed up to $10^7$ cycles on the fabricated bending piezoelectric actuators. An applied electric loading range is from -6 kV/cm to +6 kV/cm, which is below the coercive field strength of the PZT ceramic. To confirm the fatigue damage onset and its pathway, the source location and distributions of the AE behavior in terms of count rate and amplitude are analyzed over the fatigue range. It is concluded that electric cyclic loading leads to fatigue damages such as transgranular damages and intergranular cracking in the surface of the PZT ceramic layer, and intergranular cracking even develops into the PZ inner layer, thereby degrading the displacement performance. However, this fatigue damage and cracking do not cause the final failure of the bending piezoelectric actuator loaded up to $10^7$ cycles. Investigations of the AE behavior and the linear AE source location reveal that the onset time of the fatigue damage varies considerably depending on the existence of a glass-epoxy protecting layer.
Kim, K.U.;Min, B.K.;Song, J.S.;Kim, B.K.;Hwang, S.D.;Choi, H.S.
Proceedings of the KIEE Conference
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1994.07b
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pp.1345-1347
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1994
High frequency Magnetic Properties of amorphous $Fe_{78}B_{13}Si_9$ ribbon were studied. Squareness ( Br/Bs ) and coercive force ( Hc ) of the specimen field annealed at $380^{\circ}C$ for 2 hrs are changed with the tension and the measuring frequency. So, we could optimise the tension having good magnetic properties at a certain frequency.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.67
no.4
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pp.543-548
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2018
Ferroelectric $Bi_4Ti_3O_{12}$ films were deposited on $SrTiO_3(100)$ and Si(100) substrate by using conductive $SrRuO_3$ films as underlayer, and their ferroelectric and electrical properties were investigated depending on crystal structure and orientation. C-axis oriented $Bi_4Ti_3O_{12}$ films were grown on well lattice-matched pseudo-cubic $SrRuO_3$ films deposited on $SrTiO_3(100)$ substrate, while random-oriented polycrystalline $Bi_4Ti_3O_{12}$ films were grown on $SrRuO_3$ films deposited on Si(100) substrate. The random-oriented polycrystalline film showed a good ferroelectric hysteresis property with remanent polarization ($P_r$) of $9.4{\mu}C/cm^2$ and coercive field ($E_c$) of 84.9 kV/cm, while the c-axis oriented film showed $P_r=0.64{\mu}C/cm^2$ and $E_c=47kV/cm$ in polarizaion vs electric field curve. The c-axis oriented $Bi_4Ti_3O_{12}$ film showed a dielectric constant of about 150 and lower thickness dependence in dielectric constant compared to the random-oriented film. Furthermore, the c-axis oriented $Bi_4Ti_3O_{12}$ film showed leakage current lower than that of the polycrystalline film. The difference of ferroelectric properties in two films was explained from the viewpoint of depolarization effect due to orientation of spontaneous polarization and layered crystal structure of bismuth-base ferroelectric oxide.
The PZT films were deposited on the Pt/Ti/$SiO_2$/Si substrates using multi- target DC magnetron reactive sputtering. The perovskite single phase with the composition close to the stoichiometric one, was obtained even at high substrate temperature of $540^{\circ}C$ by 2-step method, which is that PZT film was deposited for a short time at low substrate temperature ($480^{\circ}C$) to promote the nucleation of perovskite phase by reducing the volatility of Pb oxide molecules, followed by the deposition at the elevated temperature to suppress the excess incorporation of Pb component in the PZT film. This two-step method, in combination with the RTA treatment, gives rise to good electrical properties of the deposited PZT films: remanent polarifaion,$18\mu$C/$\textrm{cm}^2$; coercive field, 45kV/cm; leakage current of 10$^{-4}$ A/$\textrm{cm}^2$ at high electric field of -500kV/cm.
In order to investigate the effect of thickness on the dielectric and piezoelectric properties of (001) PMN-29PT single crystals, three different types of PMN-29PT samples were prepared using the solid-state single crystal growth (SSCG) method: high density crystal [99%], low density crystal [95%], and high density crystal doped with Mn [98.5%]. When their thickness decreased from 0.5 mm to 0.05 mm, their dielectric constant ($K_3{^T}$), piezoelectric constants ($d_{33}$ and $g_{33}$), and electromechanical coupling factor ($k_t$) decreased continuously. However, their dielectric loss (tan ${\delta}$) increased. The addition of Mn to PMN-PT induced an internal bias electric field ($E_I$), increased the coercive electric field ($E_C$), and prevented local depoling. Therefore, Mn-doped PMN-PT crystals show high stability as well as high performance, even in the form of very thin plates (< 0.2 mm), and thus are suitable for application to high frequency composites, medical ultrasound probes, non-destructive testing devices (NDT), and flexible devices.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.12
no.2
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pp.64-67
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2011
The effect of Ta substitution on the crystal structure, ferroelectric, and piezoelectric properties of $Bi_{0.5}(Na_{0.82}K_{0.18})_{0.5}Ti_{1-x}Ta_xO_3$ ceramics has been investigated. The Ta doping resulted in a transition from coexistence of ferroelectric tetragonal and rhombohedral phases to an electrostrictive pseudocubic phase, leading to degradations of the remnant polarization, coercive field, and piezoelectric coefficient $d_{33}$. However, the electricfield-induced strain was significantly enhanced by the Ta substitution-induced phase transition and reached a highest value of $S_{max}/E_{max}$ = 566 pm/V under an applied electric field 6 kV/mm when 2% Ta was substituted on Ti sites. The abnormal enhancement in strain was attributed to the pseudocubic phase with high electrostrictive constants.
Kim, Yong-Tae;Yun, Gi-Hyeon;Kim, Tae-Hui;Park, Gyeong-Bong
Korean Journal of Materials Research
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v.9
no.10
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pp.1032-1036
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1999
The electron emission and degradation of the ferroelectric Pb($\textrm{Zr}_{0.5}\textrm{Ti}_{0.5}$)$\textrm{O}_3$ ceramics by the pulse electric field have been investigated as a function of the upper electrode diameter. Polarization increased with the decrease of the upper electrode diameter due to the increase of the volume fraction participated in the polarization reversal near the electrode edge. Simulation using ANSYS 5.3 for the electric field distribution showed that the electric field increased near the upper electrode edge of the asymmetric electrode structure. The ferroelectric volume near the upper electrode edge which contributed to the increase of the polarization and the emission charge per electrode diameter were independent on the upper electrode diameter. Polarization and dielectric constant were decreased due to the erosion of the upper electrode with repeating the emission cycles, but they were recovered by the electrode regeneration. The degradation of the ferroelectric surface resulted in the increase of the coercive field and dielectric loss.
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