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Giant piezoresponse and promising application of environmental friendly small-ion-doped ZnO

Science China(Technological Sciences) 2012年第2期55卷 421-436页

作者： PAN Feng LUO JingTing ANG YuChao WANG XuBo ZENG Fei Key Laboratory of Advanced Materials Department of Materials Science and EngineeringTsinghua UniversityBeijing 100084China

In recent years, with the growing concerns on environmental protection and human health, new materials, such as lead-free piezoelectric materials, have received increasing attention. So far, three types of lead-free piezoelectric systems have been widely researched, i.e., perovskites, bismuth layer-structured ferroelectrics, and tungsten-bronze type ferroelectrics. This article presents a new type of environmental friendly piezoelectric material with simple structure, the transition-metal（TM）-doped ZnO. Through substituting Zn2＋ site with small size ion, we obtained a series of TM-doped ZnO with giant piezoresponse, such as Zno.975Vo.o250 of 170 pC/N, Zn0.94Cr0.06O of 120 pC/N, Zn0.913Mn0.0870 of 86 pC/N and Zn0.988Fe0.0120 of 127 pC/N. The tremendous piezoresponses are ascribed to the introduction of switchable spontaneous polarization and high permittivity in TM-doped ZnO, The microscopic origin of giant piezoresponse is also discussed. Substitution of TM ion with small ionic size for Zn2＋ results in the easier rotation of noncollinear TM-O1 bonds along the c axis under the applied field, which produces large piezoelectric displacement and corresponding piezoresponse enhancement. Furthermore, it proposes a general rule to guide the design of new wurtzite semiconductors with enhanced piezoresponses. That is, TM-dopant with ionic size smaller than Zn2＋ substitutes for Zn2＋ site will increase the piezoresponse of ZnO significantly. Finally, we discuss the improved per- formances of some TM-doped ZnO based piezoelectric devices.

关键词： ZnO lead-free piezoelectric doping modification piezoresponse enhancement

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