توصيفگر ها :
فروالكتريك واهلشي , سازوكار واهلش , ذخيره انرژي , نانو نواحي قطبي , ميدان الكتريكي شكست , دانه , مرزدانه , مدل ميدان فاز
چكيده فارسي :
در اين رساله، بررسي عميقي بر روي ويژگي‌هاي متنوع مواد فروالكتريك و فروالكتريك‌هاي واهلشي با تمركز ويژه بر پتانسيل آن‌ها در بهينه‌سازي فرآيندهاي ذخيره‌سازي انرژي انجام شده است. در بخش محاسباتي اين پژوهش، با استفاده از شبيه‌سازي ميدان فاز و معرفي يك تابع تبديل فاز نوآورانه، به تحليل دقيق شكست دي‌الكتريك در فروالكتريك‌هاي بس‌بلور پرداخته شده است. اين مطالعه، تكامل زماني و مكاني مسير شكست، وابستگي ميدان الكتريكي به زمان شكست، و تأثير پارامترهاي متعددي چون جهت‌گيري دانه‌ها، ثابت دي‌الكتريك دانه‌ها و مرزدانه‌ها اندازة دانه‌ها (Ga) و ضخامت مرزدانه‌ها (dGB) بر ميدان الكتريكي شكست آستانه را مورد بررسي قرار داده است. نتايج بيانگر آن هستند كه ميدان الكتريكي شكست آستانه با كاهش ثابت دي‌الكتريك بهبود مي‌يابد. همچنين، وابستگي ميدان الكتريكي شكست آستانه به اندازة دانه و ضخامت مرزدانه به‌ترتيب از تابع تواني G_a^(-n) (n=0.42) و d_GB^n (n=0.3) پيروي مي‌كنند. اين يافته‌ها، راه را براي مهندسي دقيق ويژگي‌هاي دانه‌ها و مرزدانه‌ها هموار مي‌سازند و به دستيابي به ميدان‌هاي الكتريكي شكست بالاتر كمك مي‌كنند، كه در كاربردهاي ذخيره‌سازي انرژي از اهميت بالايي برخوردار است. در بخش تجربي اين مطالعه، به كاوش عميق در ويژگي‌هاي دي‌الكتريك و امپدانس فروالكتريك‌هاي واهلشي با فرمول شيميايي (0.67-x)BiFeO3-0.33BaTiO3-xKNbO3 پرداخته شده است، كه ديدگاه‌هاي نويني را دربارة تأثير متغيرهاي تركيب، دما و فركانس بر پويايي و فرآيندهاي واهلشي نانو نواحي قطبي فراهم آورده است. توزيع عيوب ناشي از جايگزيني KNbO3 به‌جاي BiFeO3، تأثير معناداري بر ساختار نانو نواحي قطبي داشته و به تغييرات قابل‌ملاحظه‌اي در ويژگي‌هاي ماده منجر شده است. دو قلة غيرمعمول در ثابت دي‌الكتريك در دماهاي پايين و بالا مشاهده شده‌اند كه به‌ترتيب با فعال‌سازي حرارتي نانو نواحي قطبي در دماهاي پايين و نقص‌هاي ساختاري در دماهاي بالا مرتبط هستند. اين قله‌ها، كه پراكندگي فركانسي و اثرات پهن‌شدگي را نمايان مي‌كنند، بيانگر درجة بالايي از بي‌نظمي و ناهمگوني در مواد است. به‌طور ويژه، تركيبات با x = 0.06 و x = 0.10 دو فرآيند واهلشي متمايز را نشان داده‌اند كه با نوسانات تركيبي مرتبط هستند، درحالي‌كه تركيبات با x = 0.14 و x = 0.18 رفتاري يكنواخت‌تر و تقريباً يك سازوكار واهلشي واحد را نشان مي‌دهند. به‌ويژه، در تركيب x = 0.14، شاهد نمايشي استثنايي از نظم قطبي عالي و رفتار واهلشي برجسته هستيم كه منجر به بهبود قابل‌توجه ويژگي‌هاي ذخيره‌سازي انرژي مي‌شود.
چكيده انگليسي :
In this thesis, in-depth investigation has been conducted on the diverse properties of ferroelectric and relaxor ferroelectric materials, with a special focus on their potential to optimize energy storage processes. In the computational part of this research, phase-field simulation coupled with the use of an innovative degradation function has been utilized to conduct a precise analysis of dielectric breakdown in polycrystalline ferroelectrics. The study examines the temporal and spatial evolution of the breakdown path, the dependency of the electric field on the time to breakdown, and the influence of various parameters such as grain orientation, dielectric constants of grains and grain boundaries, grain size (Ga), and grain boundary thickness (dGB) on the threshold electric field for breakdown. The findings indicate that the threshold electric field improves with a decrease in the dielectric constant. Additionally, the dependency of the threshold electric field on grain size and grain boundary thickness follows power function G_a^(-n) (n = 0.42) and d_GB^n (n = 0.3), respectively. These results pave the way for precise engineering of grain and grain boundary features, aiding in achieving higher electric fields for breakdown, which is of significant importance in energy storage applications. In the experimental part of this study, an in-depth exploration of the dielectric and impedance properties of relaxor ferroelectrics with the chemical formula (0.67-x)BiFeO3-0.33BaTiO3-xKNbO3 has been conducted, providing new insights into the effects of composition, temperature, and frequency on the dynamics and relaxation processes of polar nano-regions. The distribution of defects, resulting from the substitution of KNbO3 for BiFeO3, has had a significant impact on the structure of the polar PNRs, leading to considerable changes in the material’s properties. Two unusual peaks in the dielectric constant at low and high temperatures have been observed, which are respectively associated with the thermal activation of low-temperature PNRs and structural defects at high temperatures. These peaks, demonstrating frequency dispersion and broadening effects, indicate a high degree of disorder and heterogeneity in the materials. Specifically, compositions with x = 0.06 and x = 0.10 show two distinct relaxation processes related to compositional fluctuations, while compositions with x = 0.14 and x = 0.18 exhibit a more uniform behavior with almost a single relaxation mechanism. Notably, in the composition x = 0.14, an exceptional display of superior polar order and prominent relaxation behavior is observed, leading to a significant enhancement of energy storage properties.
