Достаточно давно известно, что сегнетопьезокерамики на основе Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), нашедшие широкое применение в качестве элементов испольнительных устройств, обладают высокими значениями пьезоэлектрического модуля. Максимум пьезомодуля достигается для составов вблизи морфотропного перехода между тетрагональной и ромбоэдрической фазами. В то же время, подобный переход может наблюдаться в чистом PbTiO3 при определенном давлении. Большим недостатком этого материала является токсичность содержащегося в нем свинца. Поэтому в качестве альтерантивы PZT коллектив американских ученых предложил использовать BiFeO3 (BFO).
Для начала авторы статьи исследовали поведение материала, состоящего из чистой тетрагональной (T), ромбоэрической (R) и смешанной фаз (рис.1). Прикладывая механическое напряжение перпендикулярно к образцу, минимум на энергетической кривой, соответствующий тетрагональной фазе постепенно исчезает, что делает ромбоэдрическую фазу энергетически более предпочтительной (рис.2b). При приложении же электрического напряжения к образцу, напротив, более устойчивой становится тетрагональная фаза (рис.2d). Как и ожидалось, наличие межфазовой граница между R и T фазами привело к увеличению пьезомодуля (115 пм/В против 54 пм/В для чистой R-фазы и 30 пм/В для чистой T-фазы). Если же сравнивать BFO с PZT, то в случае BiFeO3 наблюдается четырехкратный рост величины пьезоотклика (рис.3).
Для того, чтобы детальнее проникнуть в суть происходящих процессов, ученые прибегли к помощи ПЭМ-микроскопии (рис.4). Полосы, которые легко можно заметить в образце смешанной фазы, полностью исчезают при приложении силы (30 мкН) перпендикулярно образцу, сведетельствуя о переходе к читсой R фазе. После снятия внешней нагрузки полосы возвращаются на прежнее место, тем самым демонстрируя обратимость перехода.
Аналогичного результата удается добиться при приложении внешнего напряжения (20 В), однако в этом случае, как упоминалось выше, на смену смешанной фазе приходит T фаза, а не R фаза, как более энергетически выгодная.
