Ferroelétricos relaxores canônicos: um estudo a partir do efeito eletro-óptico em função da temperatura

This study revisits the lanthanum-modified lead zirconate titanate ferroelectric relaxor system (PLZT) by investigating its electro-optical properties, particularly the variation of birefringence induced by electrical field, n(E). The thermal evolution of n(E), obtained by the Kerr (quadratic) and Pockels (linear) electro-optical effects, was considered in the verification of possible critical temperatures predicted for the transitions between the paraelectric (PE), ergodic ferroelectric relaxor (EFR), non-ergodic ferroelectric relaxor (NEFR), and normal ferroelectric (FE) states. Such temperatures identify the regions that separate different correlation states (static and dynamic) from the polar nano-regions (PNR) present in these materials. This work made use of ceramics La/Zr/Ti = 9/65/35, which are located on the tricritical point of the PZLT phase diagram. The effect of doping with 1% weight of rare-earth oxides (Nd, Ho, Er, Tm e Yb) upon the relaxor behaviour was also investigated. The undoped material was used as a reference system in the elaboration of a protocol for data collection and treatment, which included the results of ferroelectric, dielectric and pyroelectric measurements. The n(E) results obtained for the quadratic response (Kerr effect) as a function of temperature were suitable for determining the freezing temperature (Tf) associated to the FE-FRE transition or to the FRE-FRNE transition, as well as the temperature associated to the maximum electrical permittivity (Tε′m), and the Burns temperature (TB) associated to the FRE-PE transition. Conversely, the dependence of n(E) to linear response (Pockels effect) as a function of temperature proved sensitive for determining the characteristic temperature T*, which indicates the initial temperature for a correlated state of short and mid-range NRP reach during cooling of the material. All of these characteristic temperatures could be determined for the doped PLZT system as well, and the same behaviours were observed for the Kerr and Pockels electro-optical responses. It is worth noting that this is the first time the n(E) linear effect response is applied to the analysis of this system. However, the transition intervals between polar and non-polar states suffered changes according to rules associated to the difference between the ionic radii of rare-earth and the cation that had been replaced in the crystal structure. Although the ferroelectric, electric, dielectric, pyroelectric, and electro-optical properties of the PLZT system were clearly affected by doping, no significant changes in the relaxor behaviour could be observed.Financiadora de Estudos e ProjetosEste trabalho revisita o sistema ferroelétrico relaxor titanato zirconato de chumbo modificado com lantânio (PLZT) a partir de investigações de suas propriedades eletro-ópticas, particularmente da variação da birrefringência induzida por campo elétrico, n(E). Foi considerada a evolução térmica de n(E), obtida pelos efeitos eletro-ópticos Kerr (quadrático) e Pockels (linear), para a determinação (ou validação) de possíveis temperaturas críticas, características de transições entre os estados paraelétrico (PE), ferroelétrico relaxor ergódico (FRE), ferroelétrico relaxor não-ergódico (FRNE) e ferroelétrico normal (FE), previstas para sistemas ferroelétricos relaxores. Tais temperaturas identificam as regiões que separam diferentes estados de correlação (estática e dinâmica) das nano-regiões polares (NRP) presentes nesses materiais. Para o estudo, foram utilizadas cerâmicas da composição La/Zr/Ti = 9/65/35, nomeado PLZT, que se localiza no ponto tricrítico do diagrama de fases. O efeito da dopagem neste sistema, com 1% em peso de óxidos de elementos terras-raras (Nd, Ho, Er, Tm e Yb) sobre o comportamento relaxor, também foi discutido. Como sistema de referência, foram utilizados protocolos de aquisição e tratamento de dados, que incluíram também resultados de medidas ferroelétricas, dielétricas e piroelétricas. Verificou-se que os resultados de n(E) para a resposta quadrática (efeito Kerr), em função da temperatura, permitem a determinação da temperatura de freezing (Tf), associada ora à transição FE-FRE e ora à FRE-FRNE; da temperatura associada àquela de máximo da permissividade elétrica (Tε′m); e da temperatura de Burns (TB), associada à transição FRE-PE. Já a dependência de n(E), para a resposta linear (efeito Pockels), com a temperatura, permite a determinação da temperatura característica T*, indicadora do ponto inicial de um estado correlacionado de curto e médio alcance das NRP, durante o resfriamento do material. Trata-se da primeira vez em que a resposta n(E) do efeito linear é aplicada à análise de sistemas como esse. Todas as temperaturas características puderam ser determinadas no sistema dopado, sendo observadas as mesmas peculiaridades para as respostas eletro-ópticas Kerr e Pockels. Contudo, os intervalos para as transições entre os estados polar e não-polar deslocaram-se, seguindo regras associadas à diferença entre o raio iônico do terra-rara em relação ao do cátion substituído na rede cristalina. Embora a dopagem tenha alterado as propriedades ferroelétricas, elétricas, dielétricas, piroelétricas e eletro-ópticas do sistema PLZT, em geral não foram observadas mudanças no comportamento relaxor