مترجم: حبيب الله عليخاني
منبع:راسخون
منبع:راسخون
مقدمه
پيش زمينهتوسعه ي پيوسته ي در وسايل هدايت صوت از پايان جنگ جهاني دوم انجام شده است. اين پيشرفت تا حد زيادي به خاطر قابليت مواد بهبود يافته حاصل شده است. مثالي از اين مواد بهبود يافته، سراميك هاي پيزوالكتريك سرب زيركونات تيتانات (PZT) مي باشد كه ماده اي شناخته شده مي باشد. اخيراً پيشرفت ها در مورد رشد و شناسايي كريستال هاي پيزوالكتريك سرب منيزيم نيوبات- سرب تيتانات (PMN-PT) موجب توسعه ي نسل بعدي وسايل انتقال صوت شده است.
تغيير اخير در تمركز از روي آب هاي آزاد به عمليات هاي مربوط به كرانه هاي ساحلي براي نيروي دريايي آمريكا موجب شده از تا نياز بيشتري به سيستم هاي سونار (sonar systems) حس شود. مواد جديد با دانسيته ي انرژي بالا و همچنين خواص بهبود يافته براي افزايش كارايي انتقال با استفاده از سونارها ضروري است. بهبود خواص مواد عبارتست از:
كرنش افزايش يافته به منظور افزايش سطح منابع صوتي
كوپل شدن الكترومكانيكي به منظور پهن شدن پنهاي باند
دانسيته ي انرژي افزايش يافته به منظور كاهش وزن انتقال دهنده و افزايش بازده
هيسترسيس كاهش يافته براي توليد پايداري حرارتي بالاتر
حساسيت افزايش يافته به منظور بهبود نسبت سيگنال به نويز
يك توسعه ي بزرگ در اين زمينه در كارگاه برنامه ريزي كريستال هاي پيزوالكتريك انتشار يافته است. اين كارگاه بوسيله ي دفتر تحقيقات دريايي و در مي 1997 برگزار گرديده است. تك كريستال هاي سرب منيزيم نيوبات- سرب تيتانات ((PMN-PT و كامپوزيت هاي سرب منيزيم نيوبات- سرب تيتانات ((PMN-PT شبه MPB ( مرز فازي مرفوتروپيك) خواص پيزوالكتريك قابل توجهي از خود نشان مي دهند يعني تنش هاي القا شده با ميدان الكتريكي در اين مواد بيش ازز 1 % است و كوپل شوندگي الكترومكانيكي از 90 % فراتر مي رود (اين مقدار به ترتيب براي بهترين نوع از پيزوسراميك هاي PZT، برابر با 0.1 و 70 تا 75 % است). اين كريستال هاي فروالكتريك رلاكسور داراي ساختار پروسكايت، فرصت هاي جديدي را براي وسايل انتقال دهنده ي صوت كنوني باز مي كنند كه در آنها از سراميك هايPZT سنتي استفاده مي شود اما در زمينه ي استفاده در كاربردهاي جديد، اين مواد در التراسنيك هاي پزشكي، شناساگرهاي غير مخرب، اكتشافات مربوط به زمين لرزه در درياها و برداشت انرژي (energy harvesting)، كاربرد دارند. اين كريستال هاي جديد با خواص پیزوالکتریک استثنایی قادر اند تا انقلابی در زمینه ی توسعه ی نسل جدید وسایل انتقال دهنده ی صوت ایجاد کنند. بنابراین، یک نیاز اورژانسی برای توسعه ی روش های رشد کریستال به منظور تولید کریستال های پیزوالکتریک در مقیاس صنعتی وجود دارد.
چالش های موجود در زمینه ی رشد کریستال های PMN-PT بزرگ
این چالش بزرگی است که روش های رشد ارزان قیمت برای رشد کریستال های پیزوالکتریک با کرنش بالا و با اندازه ی درشت (75 تا 100 میلی متر (3 تا 4 اینچ) قطر و 150 تا 200 میلی متر (6 تا 8 اینچ) طول) توسعه یابند. اگر کلی صحبت کنیم، باید بگوییم: مشکلات ایجاد شده در حین رشد کریستال های با اندازه ی درشت که دارای مواد سربدار هستند، پیچیدگی رفتار ترمودینامیکی و خواص فیزیکی این مواد می باشد. برای مثال، مشکلات متداول عبارتند از ذوب نامتجانس و رسانایی گرمایی پایین. ذوب نامتجانس یعنی این کریستال ها نمی توانند از مذاب استوکیومتری رشد داده شوند. رسانایی گرمایی پایین نیز بر روی انتقال گرمای نهان آزاد شده در حین فرایند کریستالیزاسیون مؤثر است. این مسئله بر روی پایداری سطح مشترک اثر می گذارد و آن را کاهش می دهد. همچنین موجب افزایش عیوب، ناخالصی ها و جدایش فازی می شود. مشکلات گفته شده در اینجا، از ناهمخوانی بین پیش بینی های تئوری و داده های تجربی مربوط به رفتار نامتجانس و خواص رسوبی پروسکایت برای سیستم محلول جامد MPB نشئت می گیرد که به PT مربوط به می شود.
علاوه بر این، استحاله های فازی حالت جامد معمولاً در هنگام سرد کردن تا دمای محیط رخ می دهد و منجر به پدید آمدن دوقلویی ها و ترک هایی می شود. علاوه بر این، رشد کریستال های مواد سربدار در دماهای بالا دارای موانع عملی بیشتری نیز هست. این موانع عباتند از:
خوردگی مواد مورد استفاده در ظرف محتوی مذاب (بوته های پلاتینی). معمولاً بوته های پلاتینی بوسیله ی مذاب های مواد سربدار در دماهای بالاتر از
مورد حمله قرار می گیرند و این مسئله منجر به نشت مواد مذاب می شود.فراریت بالای PbO سمی از مذاب در دماهای بالا
مشکلات مربوط به کنترل میزان هموژن بودن سیستم های چند جزئی به دلیل جدایش ترکیب
مشکلات حیاتی برشمرده شده در بالا، موجب می شود تا رشد کریستال های PMN-PT برای تجاری شدن چالش قابل توجهی را پیش رو داشته باشند.
رشد کریستال های PMN-PT از مذاب استوکیومتری با استفاده از روش بریجمن
PMN-PT یک محلول جامد دوتایی از سرب منیزیم نیوبات (PMN) و سرب تیتانات (PT) است. این ماده را می توان با فرمول زیر نشان داد:
. PMN-PT دارای ساختار پروسکایت (ABO_3) و یک MPB می باشد که این ساختار از رمبوهدرال به تتراگونال تبدیل شده است (با
). برای بدست آوردن نمونه های کریستال، رشد از حالت محلول (فلاکس) در دمای بالا به عنوان یک روش متداول به طور گسترده برای انواع مختلفی از ترکیبات اکسیدی مانند مواد فروالکتریک رلاکسور پروسکایتی، مورد استفاده قرار می گیرد. در دهه ی 1990، کریستال های با اندازه ی میلیمتری از جنس PMN-PT از محلول های با دمای بالا و ترکیبی از اکسید سرب و اکسید بور به عنوان فلاکس تولید شدند. اخیراً کریستال های PMN-PT با اندازه ی یک اینچ و با کیفیت بهبود یافته به طور موفقیت آمیز و با استفاده از روش رشد فلاکس تولید شده اند. به هر حال، نرخ رشد و اندازه ی کریستال ها در روش های رشد کریستالی اشاره شده در بالا، محدود هستند و برای تولید تجاری مفید نمی باشند. برای فایق آمدن بر مشکل تبخیر اجزای فرار مذاب مانند PbO، رشد کریستال PMN-PT تحت فشار بالا (فشار 80 atm و در اتمسفر آرگون بعلاوه ی 1 % اکسیژن) با استفاده از کوره ی بریجمن عمودی انجام می شود. این مورد تأیید قرار گرفته است که با این روش، تبخیر سرب به طور قابل توجهی و حتی در بوته های سرباز کاهش یافته است اما کیفیت کریستال حاصله به دلیل ورود حفرات و ناخالصی های غنی از Mg-Si-O کاهش می یابد. یک دلیل ممکنه، این است که فشار بالا همچنین بر روی فرایند دینامیک سطح مشترک این ماده اثر می گذارد و منجر می شود تا فوق سرد شدن ساختاری اتفاق افتد (constitutional supercooling).این به خوبی فهمیده شده است که مطمئن ترین و اقتصادی ترین روش برای رشد کریستال های با کیفیت بالا برای این ماده، روش بریجمن – استوک برگر (Bridgman – Stockbarger) است. این روش در واقع سرد کردن طبیعی مذاب این ماده بدون استفاده از فلاکس می باشد: یک شمش مذاب به طور تدریجی از انتهای یکی به انتهای دیگری کریستالیزه می شود. به هرحال، رشد مذاب استوکیومتری تک کریستال مواد فروالکتریک رلاکسور پروسکایتی تنها برای سیستم هایی مناسب است که معیارهای زیر را داشته باشند:
این سیستم باید به طور متجانس ذوب شود ویا
در دیاگرام فازی ترکیب شیمیایی، باید یک پنجره وجود داشته باشد که در آن پروسکایت به عنوان فاز اولیه بتواند به طور مستقیم از مذاب تشکیل شود (نه فاز پیروکلر که دارای ترکیب شیمیایی مشابه با پروسکایت است). پ
بدبختانه بیشتر سیستم های MPB شناخته شده مربوط به PT دارای ذوب نامتجانس هستند و بنابراین، هیچ پنجره ای در دیاگرام های فازی وجود ندارد که در آن فاز پروسکایت اول کریستاله شود. به عنوان یک نتیجه، این کریستال های پروسکایت، نمی توانند از مذاب استوکیومتری رشد داده شود. فلاکس یا عوامل مینرالی باید برای رشد کریستال مورد استفاده قرار گیرند تا از ایجاد سطح مشترک در مکان های وجود جوانه زاهای ناخواسته از جنس فازهای غیر پروسکایتی، جلوگیری شود.
مذاب های PMN پروسکایتی به طور متجانس در دمای
و PT پروسکایتی در دمای
به طور متجانس ذوب می شوند. بنابراین، هر دو ترکیب انتهایی سیستم دوتایی PMN-PT، فازهای پروسکایت با ذوب متجانس هستند. این مسئله بر این دلالت دارد که PMN-PT به احتمال بیشتری نسبت به سایر محلول های جامد دوتایی MPB مانند PZN-PT (دارای ذوب غیر متجانس)، فاز پروسکایت تشکیل می دهد نه فاز پیروکلر نامناسب. از زمان اولین گزارش تجربی در مورد رشد کریستال های با کیفیت بالای PMN-PT از مذاب استوکیومتری (بدون فلاکس و در داخل یک بوته ی پلاتینی) با استفاده از کوره ی بریجمن اصلاح شده، در سال 1997، تلاش های زیادی بر روی رشد کریستال های PMN-PT از حالت مذاب، انجام شده است. به هر حال، جدایش های فازی نامطلوب غیر قابل اجتناب بود. در حال حاضر، کریستال های PMN-PT با اندازه ی قطر 75 و طول 200 میلی متر، که با جوانه های با جهت کریستالی <001>، رشد داده شده اند (وزن این کریستال ها در حدود 6 کیلوگرم است)، به صورت تجاری با استفاده از روش بریجمن عمودی با بوته های چندگانه، ساخته می شوند.در بخش های بعدی، جزئیات مربوط به رشد کریستال های PMN-PT از حالت مذاب با استفاده از روش بریجمن توضیح داده می شود. این روش بوسیله ی شرکت H. C. Materials توصیف شده است. خواص فیزیکی این کریستال ها به طور متقارن است و این تقارن از لحاظ مهندسی دمین و جنبه های مربوط به تانسور الاستو- پیزو- الکتریک مورد بحث قرار گرفته است. این مسئله برای انتخاب مناسب جهات برش کریستالی و حالت های ویبراسیون، مهم می باش.
رشد کریستال
تعادل فازی
یک پیش نیاز برای رشد کریستال های PMN-PT فهمیدن جزئیات مربوط به تعادل های فازی دما بالای محلول های جامد دوتایی می باشد. داده های محدودی در مورد دیاگرام فازی PMN-PT وجود دارد. همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، تنها ذوب متجانس در دمای
برای PMN پروسکایتی و
برای PT پروسکایتی مشاهده شده است. در سال 1999، ما نتایج مربوط به جدایش ترکیبی را بر اساس طیف سنجی پلاسمای کوپل شده با القا (ICP) (با دقت بهتر از 0.5 %) ارائه کردیم (شکل 1)
و دمای ماکزیمم
می باشند. ضریب جدایش مؤثربرای PT تقریباً 85 % تخمین زده شده است. نتایج مربوط به رشد کریستال از مذاب استوکیومتری نشاندهنده ی این است که دیاگرام تعادل فازی ممکم است یک سیستم محلول جامد دوتایی باشد. در سال 2003، اولین دیاگرام فازی سیستم PMN-PT گزارش داده شده است. این دیاگرام ترکیبی از داده های موجود می باشد (شکل 2).
نشت مذاب از بوته ی پلاتینی و شیمی اکسید سرب
یک بوته یا محفظه ی مناسب برای مذاب سرب دار یکی از ملزومات اصلی برای رشد کریستال PMN-PT در دمای ماکزیمم
به مدت صدها ساعت می باشد. چندین ماده مانند ایریدیوم (Ir)، آلیاژ پلاتین (Pt) با رودیوم (Rh)، آلیاژ پلاتین و طلا (Au) و پلاتین خالص برای این کار مورد بررسی قرار گرفته است. این ثابت شده است که پلاتین خالص بهترین ماده برای تولید بوته می باشد. این ماده از لحاظ شیمیایی پایدار است بنابراین، موجب آلودگی مذاب نمی شود. به هر حال، دمای عملیاتی بالا که در این فرایند مورد استفاده قرار می گیرد، بالاتر از دمای ایمنی استفاده از پلاتین (
) در هوا، می باشد. بنابراین، این ممکن است که بوته ی پلاتینی بوسیله ی مذاب سربدار خورده شود. این مسئله مخصوصاً در دمای بالاتر از
مشاهده می شود. نشت های ایجاد شده از بوته به دلیل حملات سرب به دیواره ها، تهدید جدی بر روی رشد کریستال دارد. بعد از بررسی های سیستماتیک، ما فهمیدیم که دو دلیل اصلی موجب ایجاد نشت در بوته می شود.اول از همه، اینکه خلوص و کیفیت پلاتین به میزان قابل توجهی بالا نیست. در طی رشد در دمای بالا، دانه های پلاتین رشد کرده و به اندازه هایی در زیر میلیمتر می رسند و برخی از دانه های درشت می توانند منجر به ایجاد نفوذ مذاب در داخل دیواره ی بوته شوند. همین طور که دانه های پلاتین رشد می کنند، ناخالصی های موجود در فلز پلاتین، می توانند جدایش پیدا کنند و در نقاط سه تایی دانه های پلاتین، تجمع پیدا کنند. مذاب حاوی سرب به عنوان یک فلاکس قوی عمل کرده و ناخالصی ها را حل می کند و بنابراین، حفرات میکرونی در جداره ی بوته تشکیل می شود (شکل 3).
است. برای فهمیدن اثر واکنش شیمیایی بر روی خوردگی پلاتین، آنالیز گرماسنجی (TGA) انجام شده بر روی پودرهای PbO و
به همراه انجام آزمون تفرق اشعه ی X مورد استفاده قرار گرفته است.
، اکسیژن می گیرد و
(یا
) تشکیل می دهد. در بالای دمای
،
یک سوم از اکسیژن خود را از دست می دهد و دوباره به PbO تبدیل می شود. بنابراین، می توان سناریوی زیر را در نظر گرفت: اگر 1) مقداری PbO آزاد در ماده ی اولیه موجود باشد و 2) دمای بخش بالایی بوته ی موجود در کوره بالاتر باشد (یعنی نرخ حرارت دهی بوته در بخش بالا سریع تر از بخش پایین باشد)، بنابراین، فقدان اکسیژن در داخل بوته ی آب بندی شده، وقتی ایجاد می شود که دما در بخش پایین تر بوته تا حدود
بالا بیاید. اگر دما در بخش بالاتر تا بیش از
بالا آید، مقداری از PbO ممکن است کاهیده شود و به صورد قطرات سرب فلزی تشکیل شود. سرب کاهش یافته سریعاً با پلاتین آلیاژ می دهد. این آلیاژ دارای دمای ذوب پایین تری نسبت به پلاتین خالص است و بنابراین، موجب پدید آمدن نشتی در کوره می شود. برای جلوگیری از ایجاد نشتی در بوته ی پلاتینی، اقدامات زیر پیشنهاد شده است:استفاده از پلاتین با خلوص بالا در ساخت بوته
استفاده از
به جای PbO در ماده ی اولیهزینتر کردن مخلوط مواد اولیه برای جلوگیری کردن از ایجاد PbO آزاد در ماده اولیه ی مورد استفاده در رشد کریستال (این روش در تولید مواد سرامیکی متداول است).
ادوات مورد استفاده در رشد کریستال
روش بریجمن مطمئن ترین و ارزان قیمت ترین روش برای رشد کریستال های درشت و با کیفتی بالا می باشد. برای تولید کریستال های PMN-PT با کیفیت بالا و اندازه ی بزرگ، دو اصلاح اصلی در سیستم رشد ما ایجاد شده است. اول اینکه، یک روش چند بوته ای مورد استفاده قرار گرفته است. دوم اینکه، برای از بین بردن اثر جدایش ترکیبی، یک پیکربندی ناحیه ای با ناحیه ی حرارتی کوچک در داخل محفظه ی کوره، ایجاد شده است. سیستم رشد کریستال بریجمن با پیکربندی بوته های چندگانه در
پارامترهای نمونه وار رشد، عبارتند از: دمای ماکزیمم
، گرادیان دمایی
و سرعت رشد 0.4 mm/h.سیستم های رشد کریستال می توانند به گونه ای طراحی شوند که کریستال های با قطر 75 میلی متری (3 اینچی) را می توان در داخل آنها تولید کرد. شکل 6
ماکزیمم دما در بخش گرم کوره برابر با
می باشد.گرادیان دمایی در نزدیکی سطح مشترک مایع- جامد برابر با
می باشد.دمای کوره قابل برنامه ریزی می باشد و دقت کنترل بیشتر از
در دمای 
می باشد.سرعت حرکت بوته بوسیله ی یک موتور پله ای کنترل می شود.
یک سیستم جمع آوری داده، تمام پارامترهای را ثبت می کند.
یک منبع تغذیه ی اورژانسی (UPS)، سیستم کنترل را محافظت می کند.
یک ژنراتور الکتریکی برای محافظت سیستم در مواقع قطع ناگهانی برق در نظر گرفته شده است.
رویه رشد کریستال
رویه ی معمولی رشد کریستال به صورت زیر می باشند:
آماده سازی پیش ماده های عاری از PbO
قرار دادن یک کریستال PMN-PT با جهت کریستالی <001> به عنوان جوانه زا در کف بوته ی پلاتینی، ریختن پیش ماده در داخل بوته و آب بندی کردن سر بوته با سرپوش پلاتینی
قراردادن بوته ی محتوی مواد اولیه در داخل تیوب بافر سرامیکی و پر کردن حفره ی میان بوته و تیوب سرامیکی با پودر آلومینا یا زیرکونیا
قراردادن آرایه ی حاصله در داخل محفظه ی کوره ی رشد و تنظیم موقعیت عمودی آن نسبت به مکان اولیه ی رشد در محفظه.
حرارت دهی کوره تا دمایی بین 1350 تا
با سرعت
و ذوب کردن پیش مادهنگه داشتن دما در نقطه ی ذوب به مدت 2 تا 8 ساعت. سپس آغاز فرایند رشد کریستال با حرکت بوته با سرعت 0.4-0.8 mm/h.
وقتی رشد کریستال کامل شد، دمای کوره با سرعت
تا دمای اتاق سرد می شود.خارج کردن نمونه از کوره
کنترل سطح مشترک
اگر كلي صحبت كنيم، بايد بگوييم كه يكي از پارامترهاي كليدي در رشد كريستال با روش بريجمن، كنترل دقيق شكل و محل قرارگيري سطح مشترك مايع/ جامد است. شكل سطح مشترك مي تواند با حفظ سرعت رشد ثابت براي كريستال، كنترل شود. اين سطح بايد نسبت به سمت مذاب، مسطح يا اندكي محدب باشد. به هرحال، اين مشكل است كه سرعت رشد كريستال را با تغيير ندادن دماي كوره، ثابت كرد. به عبارت ديگر، سرعت رشد تا حدي انحراف دارد (غير خطي است) كه علت اين مسئله به خاطر پديده اي است كه اثر انتهايي (end effect) ناميده مي شود. اين اثر به خاطر محدود بودن طول كوره ايجاد مي شود. نتايج تجربي نشان دهنده ي اين است كه بوته هاي داراي طول كوتاه تر داراي اثر انتهايي قوي تري هستند.
ممكن است موجب حالت فوق سرد ساختاري شود كه اين فوق سرد رشد پايدار را مختل مي كند و منجر به پديد آمدن ترك هاي ميكرويي و عيوب و حتي هسته زايي ناخواسته مي شود.
عيوب
در مرحله ي اوليه از رشد كريستال، چندين نوع عيب ماكرويي مانند حفره، ترك و بخش هاي ناهمگن (inclusions) بوجود مي آيد. بعد از اصلاح و بهينه سازي ساختار كوره و پارامترهاي رشد، اين عيوب حذف مي شوند. علاوه بر اين، هموژن بودن تركيب بوسيله ي تنظيم ناحيه ي حرارتي و افزايش طول رشد، بهبود مي يابد.
به هرحال، نياز است برخي از عيوب خاص مربوط به ساختارهاي دمين مورد مطالعه قرار گيرد. يكي از اين موارد، كمبود اكسيژن دركريستال هاي PMN-PT دقيقاً بعد از رشد مي باشد. اين كريستال به جاي زرد كم رنگ، قهوه اي تيره است. اگر چه رنگ خاكستري تيره مي توان با آنيل متعاقب از بين رود (مثلاً در دماي
به مدت 10 ساعت و در اتمسفر هوا)، ساختارهاي دميني بعد از آنيل هنوز كدر و بي نظم هستند و خواص فيزيكي آنها از حالت طبيعي متفاوت است. اين مشكل است كه جزئيات ساختاري دمين ها را با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) مشاهده كنيم زيرا دمين ها در طي آماده سازي نمونه، تغيير مي كنند. يكي ديگر از اين عيوب، نابجايي هستند كه جزء عيوب خطي به حساب مي آيند. نابجايي ها را مي توان با اچ شيميايي نمونه مشاهده كرد. تاكنون، گزارش هاي اندكي در مورد اثر دانسيته ي نابجايي ها و جهت گيري آنها بر روي خواص پيزوالكتريك ارائه شده است.هر دو عيب اشاره شده در بالا، بر روي خواص پيزوالكتريك اثر مي گذارند كه اين اثر به ساختار دمين ها وابسته است. اين مسئله قطعيت پيدا كرده است كه اين نوع از عيوب به عنوان مراكز ميخ شوندگي ديواره ي دمين ها عمل مي كنند و ساختار دمين را تعديل و كنترل مي كنند. بنابراين، خواص فيزيكي مي تواند از حالت نرمال تغيير كند.
شناسايي خواص
براي رشد يك كريستال PMN-PT از مذاب استوكيومتري، مقدار PT در طول كريستال افزايش مي يابد كه علت آن وقوع جدايش تركيب مي باشد. تغييرات در خواص پيزوالكتريك نيز در طول جهت رشد مورد انتظار است. اين بخش در مورد شناسايي سيستماتيك تغييرات خواص و رابطه ي آنها در كل شمش PMN-PT رشد داده شده، صحبت مي كند.
آماده سازي نمونه
براي شناسايي تغييرات خواص در طول محور رشد كريستال PMN-PT، دو نوع نمونه آماده سازي مي شود (شكل 8):
(17 قطعه) ميله هاي كريستالي با اندازه ي
(17 قطعه)اين نمونه ها از شمش هاي كريستالي بريده مي شوند. تمام 6 وجه از صفحات و ميله ها در جهت گيري 0.5 درجه نسبت به صفحات {001} قرار گرفته اند. براي اطمينان حاصل كردن از هموژن بودن نسبي تركيب نمونه، وجه هاي بزرگتر صفحات كريستالي و جهت طولي ميله هاي كريستالي به عنوان نرمال جهت رشد <001> انتخاب شده اند. علاوه بر اين، به منظور مينيمم كردن تفاوت تركيب ميان صفحات و ميله ها، هر صفحه مربوط به يك ميله، از بخش يكسان در داخل ويفر برش داده شده است (شكل 8).
قطب دار كردن (poling)
سطوح كريستالي نمونه ها قبل از رسوب دهي الكترودهاي طلا با استفاده از روش كند و پاش، بوسيله ي التراسونيك تميزكاري مي شوند. صفحات در جهت كريستالي <100> (در جهت ضخامتشان) و ميله ها در جهت طول شان (<100>) قطب دار مي شوند. ميدان قطب دار كردن برابر با 5 kV/cm مي باشد و جريان قطب دار كردن تا اتمام كار در دماي اتاق اندازه گيري مي شود. تمام اين خواص در دماي اتاق و تا 24 ساعت بعد از قطب دار كردن، اندازه گيري مي شود.
ابزارها و روش ها
خواص دي الكتريك
ثابت دي الكتريك K براي صفحات كريستالي از اندازه گيري هاي هندسي و اندازه گيري هاي مربوط به ظرفيت در فركانس هاي مختلف، انجام مي شود. اين اندازه گيري با توجه به فرمول زير انجام مي شود:
كه در اينجا، K ثابت دي الكتريك آزاد (
) يا مقيد (
)، ε_0 ثابت دي الكتريك فضاي آزاد، d ضخامت نمونه، A مساحت الكترود و C ظرفيت مي باشد.خواص پيزوالكتريك
ضريب بار پيزوالكتريك طولي (
) براي صفحات كريستالي با استفاده از يك دستگاه
سنج شبه استاتيك نوع Berlincourt اندازه گيري گرديد. مقادير ضريب ولتاژ پيزوالكتريك طولي (
) با توجه به فرمول زير محاسبه گرديد: 
مقادير پايدار 
براي ميله ها از اين دستگاه
سنج بدست نيامده است. در عوض، اين مقادير از
،
و
محاسبه گرديد.ثابت الاستيك از اندازه گيري هاي رزونانس بر روي ميله ها محاسبه شده اند. فركانس هاي مربوط به مقاومت ماكزيمم (
) و رسانايي ماكزيمم (
) ميله هاي كريستالي بر اساس آناليزور امپدان، تعيين گرديد. مقاومت مدار كوتاه
با توجه به فرمول زير محاسبه گرديد. 
كه در اينجا،
دانسيته ي كريستال (
)، l طول ميله (7mm) و
فاكتور كوپلينگ الكترومكانيكي براي ويبراسيون طولي مي باشد.كوپلينگ الكترومكانيكي
فاكتور كوپلينگ الكترومكانيكي در امتداد ميله (
) با يكي از دو روش و بسته به هندسه ي نمونه انجام مي شود. براي صفحات كريستالي، فاكتور كوپلينگ 
از ثوابت آزاد دي الكتريك آزاد و مقيد تخمين زده مي شوند:
براي ميله هاي كريستالي، فاكتورهاي كوپلينگ
و
(تحريك متقاطع) از فركانس هاي رزونانس اشاره شده در بالا (يعني
و
) تعيين مي شوند:
محاسبه ي
و
ازمقادير
و
بدست آمده براي ميله هاي كريستالي و
از صفحات كريستالي،
با توجه به فرمول زير محاسبه مي شود:
مقادير دقيق تر
كه از صفحات كريستالي بدست مي آيد، براي محاسبه ي
مورد استفاده قرار مي گيرد. نسبت عرض به ضخامت براي صفحات برابر با 10 به 1 و براي ميله ها برابر با 1 به 10 بوده است. به طور مشابه، ضريب ولتاژ پيزوالكتريك مربوطه (
) از معادله ي مربوط به
محاسبه مي شود.تغييرات خواص
همانگونه كه در بالا بدان اشاره شد، مقدار PT براي كريستال رشد داده شده از حالت مذاب در طول رشد افزايش مسي يابد كه علت اين مسئله جدايش تركيبي مي باشد. با توجه به اين مسئله، دماي انتقال فرومغناطيس به پارامغناطيس (
) با افزايش مقدار PT، افزايش مي يابد. بنابراين،
مي تواند به عنوان شاخصي براي تركيب نمونه هاي PMN-PT مطرح شود. در اين بخش،
به عنوان دمايي گزارش شده است كه در آن،
ماكزيمم است.ثابت دي الكتريك
در دماي اتاق به مقدار PT را نشان مي دهد. اين اطلاعات به عنوان شاخصي از دماي كوري در نظر گرفته شده اند. نمونه ي 0 نزديك به پايه ي كريستال بوده است و نمونه ي 16 نزديك به MPB. نمونه هاي بين اين اعداد (1 تا 15) داراي تركيب شيميايي مشابه با نمونه هاي مورد استفاده در كاربردهاي متداول مواد پيزوالكتريك مي باشد. براي اين گروه از نمونه ها،
از 121 تا
افزايش مي يابد. كه اين مسئله به مقدار PT وابسته است (مقدار PT از 26.5 تا 32 % افزايش مي يابد).
در دماي محيط از 4400 تا 7000 تغيير مي كند (با افزايش PT).فاكتور كوپلينگ الكترومكانيكي و تسليم الاستيك (elastic compliance)
مقادير
و
كه براي ميله هاي كريستالي بدست آمده است، اندكي با افزايش
، افزايش مي يابد (شكل 10).
از 121 به
افزايش مي يابد،
از 0.84 به 0.92 (9.5 %) افزايش مي يابد (يعني مقدار PT از 26.5 % به 32 % افزايش مي يابد). دراين حالت مقادير
اكثر بزرگتر از 0.87 هستند
و
به طور قابل توجهي افزايش يابند. علاوه بر اين، اين به نظر مي رسد كه
به مقدار مجانب 0.92 نزديك مي شود.مقادير محاسبه شده ي
براي صفحات (از داده هاي
و
)، رويه ي مشابه با رويه ي مشاهده شده براي مقادير k_33 براي ميله ها را از خود نشان مي دهد كه با روش رزونانس محاسبه شده اند (جدول 1).داده هاي بدست آمده ازمحاسبات و اندازه گيري ها (به ترتيب
و
) نسبتاً همخواني خوبي دارند (تفاوت آنها كمتر از 3 % است). اين نشاندهنده ي قابليت اطمينان بالا به اين دو روش براي تعيين
مي باشد.مقادير
بدست آمده براي ميله هاي كريستالي كه با استفاده از روش رزونانس بدست آمده است، به طور قابل توجهي و از مقدار
به
افزايش مي يابد مشابه
كه از 121 به
افزايش مي يابد. يك وابستگي خطي قابل توجه بين
و MPB وجود دارد (شكل 10b).
و
هم اندازه گيري هاي 
بدست آمده از صفحات و هم مقادير
محاسبه شده براي ميله ها و صفحات وابستگي قابل توجهي به مقدار PT از خود نشان مي دهند
از مقدار 1660 تا مقدار 3140 pC/N افزايش مي يابد (تقريباً 90 %). مقادير 
محاسبه شده به طور مشابه از 950 تا 1820 pC/N افزايش مي يابد. يك وابستگي خطي قوي از
به
و بنابراين مقدار PT وجود دارد. به ياد آوريد كه مقادير
در اين ناحيه از MPB نسبتاً ثابت بود.شكل 11b تغييرات اندك در
را نشان مي دهد. اين تغيير از مقدار
تا 
مي باشد. در مقايسه، مقادير 
محاسبه شده در ابتدا از
به مقدار
افزايش مي يابد اما سپس در دماي 
برابر با
، به مقدار
كاهش مي يابد. مقادير اندازه گيري شده براي
به يك مقدار ثابت
نزديك مي شود. در عوض،
در
برابر با
، به مقدار ماكزيمم 
مي رسد.استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.
