In this study, the macroscopic mechanical behavior was characterized as a function of temperature (−150 °C to 400 °C) for polycrystalline (Na0.5K0.5)NbO3 with three dopant concentrations. Dopants can improve certain electromechanical properties and, in the case of NKN and Li+, shift the orthorhombic-to-tetragonal phase transition temperature to lower temperatures. In this study, the mechanical behavior of undoped NKN, LNKN6 with 6 mol. % Li+, and LNKN6 with additional dopants was characterized and compared with the temperature dependent dielectric response and crystal structure. During mechanical loading, the samples showed a nonlinear hysteretic response. At low temperatures, this is understood to be due to ferroelasticity. At temperatures in the vicinity of the orthorhombic-tetragonal phase transition temperature, a closed hysteresis behavior was observed, corresponding to a local maximum of the critical ferroelastic stress and a minimum in the remanent strain. The observed closed hysteresis behavior is suggested to be due to a stress-induced structural phase transformation.

1.
S.
Priya
and
S.
Nahm
,
Lead-Free Piezoelectrics
(
Springer
,
New York
,
2012
).
2.
G.
Shirane
,
R.
Newnham
, and
R.
Pepinsky
,
Phys. Rev.
96
,
581
(
1954
).
3.
L.
Egerton
and
D. M.
Dillon
,
J. Am. Ceram. Soc.
42
,
438
(
1959
).
4.
Y.
Saito
,
H.
Takao
,
T.
Tani
,
T.
Nonoyama
,
K.
Takatori
,
T.
Homma
,
T.
Nagaya
, and
M.
Nakamura
,
Nature
432
,
84
(
2004
).
5.
M.
Matsubara
,
T.
Yamaguchi
,
K.
Kikuta
, and
S.
Hirano
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
258
(
2005
).
6.
J.
Fu
,
R.
Zuo
,
D.
Lv
,
Y.
Liu
, and
Y.
Wu
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
21
,
241
(
2010
).
7.
R. E.
Jaeger
and
L.
Egerton
,
J. Am. Ceram. Soc.
45
,
209
(
1962
).
8.
Y.
Guo
,
K.
Kakimoto
, and
H.
Ohsato
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
4121
(
2004
).
10.
Y.
Shiratori
,
A.
Magrez
, and
C.
Pithan
,
J. Eur. Ceram. Soc.
25
,
2075
(
2005
).
11.
J.
Tellier
,
B.
Malic
,
B.
Dkhil
,
D.
Jenko
,
J.
Cilensek
, and
M.
Kosec
,
Solid State Sci.
11
,
320
(
2009
).
12.
D. W.
Baker
,
P. A.
Thomas
,
N.
Zhang
, and
A. M.
Glazer
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
91903
(
2009
).
13.
M. A.
Rafiq
,
P.
Supancic
,
M. E.
Costa
,
P. M.
Vilarinho
, and
M.
Deluca
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
11902
(
2014
).
14.
N.
Klein
,
E.
Hollenstein
,
D.
Damjanovic
,
H. J.
Trodahl
,
N.
Setter
, and
M.
Kuball
,
J. Appl. Phys.
102
,
14112
(
2007
).
15.
T. A.
Skidmore
,
T. P.
Comyn
, and
S. J.
Milne
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
222902
(
2009
).
16.
K.
Hatano
,
K.
Kobayashi
,
T.
Hagiwara
,
H.
Shimizu
,
Y.
Doshida
, and
Y.
Mizuno
,
Jpn. J. Appl. Phys.
49
,
09MD11
(
2010
).
17.
K.
Hatano
,
K.
Kobayashi
,
T.
Hagiwara
,
H.
Shimizu
,
Y.
Doshida
, and
Y.
Mizuno
,
Key Eng. Mater.
485
,
57
(
2011
).
18.
W.
Ge
,
Y.
Ren
,
J.
Zhang
,
C. P.
Devreugd
,
J.
Li
, and
D.
Viehland
,
J. Appl. Phys.
111
,
103503
(
2012
).
19.
X.
Sun
,
J.
Deng
,
J.
Chen
,
C.
Sun
, and
X.
Xing
,
J. Am. Ceram. Soc.
92
,
3033
(
2009
).
20.
S.
Zhang
,
R.
Xia
,
T. R.
Shrout
,
G.
Zang
, and
J.
Wang
,
J. Appl. Phys.
100
,
104108
(
2006
).
21.
E.
Hollenstein
,
D.
Damjanovic
, and
N.
Setter
,
J. Eur. Ceram. Soc.
27
,
4093
(
2007
).
22.
A.
Martin
,
K.
Kakimoto
,
K.
Hatano
, and
Y.
Doshida
,
J. Ceram. Soc. Jpn.
124
,
730
(
2016
).
23.
S. C. I.
Hwang
,
C. S.
Lynch
, and
R. M.
McMeeking
,
Acta Metall. Mater.
43
,
2073
(
1995
).
24.
K.
Aizu
,
J. Phys. Soc. Jpn.
27
,
387
(
1969
).
25.
J. L.
Jones
and
M.
Hoffman
,
J. Am. Ceram. Soc.
89
,
3721
(
2006
).
26.
C. M.
Landis
,
J. Mech. Phys. Solids
51
,
1347
(
2003
).
27.
Y.
Huan
,
X.
Wang
,
J.
Koruza
,
K.
Wang
,
K. G.
Webber
,
Y.
Hao
, and
L.
Li
,
Sci. Rep.
6
,
22053
(
2016
).
28.
K. G.
Webber
,
E.
Aulbach
,
T.
Key
,
M.
Marsilius
,
T.
Granzow
, and
J.
Rödel
,
Acta Mater.
57
,
4614
(
2009
).
29.
K.
Hatano
,
A.
Yamamoto
,
Y.
Doshida
, and
Y.
Mizuno
,
J. Ceram. Soc. Jpn.
123
,
561
(
2015
).
30.
H. T.
Martirena
and
J. C.
Burfoot
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
7
,
3182
(
1974
).
31.
G.
Arlt
,
D.
Hennings
, and
G.
de With
,
J. Appl. Phys.
58
,
1619
(
1985
).
32.
K. G.
Webber
,
Y.
Zhang
,
W.
Jo
,
J. E.
Daniels
, and
J.
Ro¨del
,
J. Appl. Phys.
108
,
14101
(
2010
).
33.
G.
Picht
,
K. G.
Webber
,
Y.
Zhang
,
H.
Kungl
,
D.
Damjanovic
, and
M. J.
Hoffmann
,
J. Appl. Phys.
112
,
124101
(
2012
).
34.
J. E.
Daniels
,
G.
Picht
,
S.
Kimber
, and
K. G.
Webber
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
122902
(
2013
).
35.
J. E.
Daniels
,
J. L.
Jones
, and
T. R.
Finlayson
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
39
,
5294
(
2006
).
36.
K.
Kakimoto
,
T.
Sumi
, and
I.
Kagomiya
,
Jpn. J. Appl. Phys.
49
,
09MD10
(
2010
).
37.
M. I.
Morozov
,
M.
Einarsrud
,
J. R.
Tolchard
,
P. T.
Geiger
,
K. G.
Webber
,
D.
Damjanovic
, and
G.
Tor
,
J. Appl. Phys.
118
,
164104
(
2015
).
38.
H.
Cao
and
A. G.
Evans
,
J. Am. Ceram. Soc.
76
,
890
(
1993
).
39.
W. L.
Warren
,
K.
Vanheusden
,
D.
Dimos
,
G. E.
Pike
, and
B. A.
Tuttle
,
J. Am. Ceram. Soc.
79
,
536
(
1996
).
40.
M. I.
Morozov
and
D.
Damjanovic
,
J. Appl. Phys.
104
,
34107
(
2008
).
41.
A. B.
Schäufele
and
K. H.
Härdtl
,
J. Am. Ceram. Soc.
79
,
2637
(
1996
).
42.
K. G.
Webber
,
M.
Vögler
,
N.
Khansur
,
B.
Kaeswurm
,
J.
Daniels
, and
F.
Schader
,
Smart Mater. Struct.
26
,
63001
(
2017
).
43.
44.
F. X.
Li
and
R. K. N. D.
Rajapakse
,
J. Appl. Phys.
101
,
54110
(
2007
).
45.
R. D.
Redin
,
G. W.
Marks
, and
C. E.
Antoniak
,
J. Appl. Phys.
34
,
600
(
1963
).
46.
N.
Uchida
and
T.
Ikeda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
6
,
1079
(
1967
).
47.
J. L.
Jones
,
M.
Hoffman
, and
K. J.
Bowman
,
J. Appl. Phys.
98
,
24115
(
2005
).
48.
Y. W.
Li
,
X. L.
Zhou
, and
F. X.
Li
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
175501
(
2010
).
49.
D. J.
Franzbach
,
Y.-H.
Seo
,
A. J.
Studer
,
Y.
Zhang
,
J.
Glaum
,
J. E.
Daniels
,
J.
Koruza
,
A.
Benčan
,
B.
Malič
, and
K. G.
Webber
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
15
,
15010
(
2014
).
50.
Y. H.
Seo
,
D. J.
Franzbach
,
J.
Koruza
,
A.
Benčan
,
B.
Malič
,
M.
Kosec
,
J. L.
Jones
, and
K. G.
Webber
,
Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys.
87
,
94116
(
2013
).
51.
M.
Davis
,
D.
Damjanovic
, and
N.
Setter
,
Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys.
73
,
14115
(
2006
).
52.
G.
Esteves
,
C. M.
Fancher
,
S.
Röhrig
,
G. A.
Maier
,
J. L.
Jones
, and
M.
Deluca
,
Acta Mater.
132
,
96
(
2017
).
53.
54.
J. A.
Gonzalo
and
J. M.
Rivera
,
Ferroelectrics
2
,
31
(
1971
).
55.
E. A.
McLaughlin
,
T.
Liu
, and
C. S.
Lynch
,
Acta Mater.
53
,
4001
(
2005
).
56.
M.
Marsilius
,
K. G.
Webber
,
E.
Aulbach
, and
T.
Granzow
,
J. Am. Ceram. Soc.
93
,
2850
(
2010
).
You do not currently have access to this content.