Abstract In the present work, various grain size phenomena were studied in promising lead-free piezoelectric ceramics (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.10Ti0.90)O3 fabricated via chemical and conventional oxide methods. Phase composition was ascertained by the Rietveld refinement. Average grain size estimated from the microstructure was ∼1.5 μm in the sol-gel derived ceramic (SG-BCZT) which was much smaller than that obtained in coarse grained (∼27 μm) sample prepared by solid state method (SS-BCZT). Systematic investigation of various functional properties viz. dielectric, ferroelectric, piezoelectric and impedance emphasized the profound influence of grain size effects. The increase in grain boundary volume fraction enhanced diffuseness while lowered the dielectric peak in SG-BCZT. Similarly, increase in elastic stiffness and progressive hindrance to domain wall movements, resulted in a decrease of the remnant polarization and the associated piezoelectric charge coefficient values in small-grained SG-BCZT sample. Accordingly, higher Young's modulus value of 158.3 GPa was observed in SG-BCZT as compared to 117.9 GPa in SS-BCZT. Local-area piezoresponse force microscopy (PFM) images revealed lamellar domains with periodicity 250 ± 90 nm in SS-BCZT while small sized fractal-like irregular domains with an estimated domain width of 150 ± 60 nm were registered in SG-BCZT. Complex impedance spectroscopy results along with grain boundary conductivity were also guided by grain size effect. The mechanisms of grain size driven effects and their impact on the functional properties were discussed.

中文翻译：

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无铅 BCZT 陶瓷结构和电学性能的比较研究：合成方法的影响

摘要 在目前的工作中，对通过化学和常规氧化物方法制造的有前途的无铅压电陶瓷 (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.10Ti0.90)O3 中的各种晶粒尺寸现象进行了研究。通过 Rietveld 精修确定相组成。根据微观结构估计，溶胶-凝胶衍生陶瓷（SG-BCZT）的平均晶粒尺寸为~1.5 μm，远小于通过固态方法（SS-BCZT）制备的粗晶粒（~27 μm）样品中获得的晶粒尺寸。对各种功能特性的系统研究，即。介电、铁电、压电和阻抗强调了晶粒尺寸效应的深远影响。晶界体积分数的增加增强了扩散，同时降低了 SG-BCZT 中的介电峰值。相似地，弹性刚度的增加和对畴壁运动的逐渐阻碍，导致小晶粒 SG-BCZT 样品中残余极化和相关压电电荷系数值的减少。因此，与 SS-BCZT 中的 117.9 GPa 相比，SG-BCZT 中观察到的杨氏模量值更高，为 158.3 GPa。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。导致残余极化和相关压电电荷系数值在小晶粒 SG-BCZT 样品中降低。因此，与 SS-BCZT 中的 117.9 GPa 相比，SG-BCZT 中观察到的杨氏模量值更高，为 158.3 GPa。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。导致残余极化和相关压电电荷系数值在小晶粒 SG-BCZT 样品中降低。因此，与 SS-BCZT 中的 117.9 GPa 相比，SG-BCZT 中观察到的杨氏模量值更高，为 158.3 GPa。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。与 SS-BCZT 中的 117.9 GPa 相比，SG-BCZT 中观察到的杨氏模量值更高，为 158.3 GPa。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。与 SS-BCZT 中的 117.9 GPa 相比，SG-BCZT 中观察到的杨氏模量值更高，为 158.3 GPa。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。局部压电响应力显微镜 (PFM) 图像显示 SS-BCZT 中周期性为 250 ± 90 nm 的层状域，而在 SG-BCZT 中记录了估计域宽度为 150 ± 60 nm 的小尺寸分形状不规则域。复阻抗谱结果以及晶界电导率也受晶粒尺寸效应的指导。讨论了晶粒尺寸驱动效应的机制及其对功能特性的影响。