โครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค และสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก (Ba0.97Ca0.03)(Ti094Sn0.06)O3 ที่แทนที่ Sn4+, Ti4+ ด้วย Mn4+, W4+ และ Zr4+

Abstract

This work investigated the effects of MnO2, WO2 and ZrO2 (0, 0.005, 0.010, 0.015 and 0.020 mol%) substituted on phase formation, microstructure and electric properties of (Ba0.97Ca0.03)(Ti0.94Sn0.06)O3 (BCTS) ceramics. These samples were fabricated by the solid state combustion technique using glycine as fuel. The powders and ceramics were calcined and sintered at the temperatures of 1100 °C for 4 h and 1400 °C for 2 h. Crystal structure was studied by XRD pattern and Rietveld refinement method. The microstructures and electrical properties of the ceramics were studied.

It was found that the XRD patterns of all BCTS-xMnO2 ceramics exhibited a single perovskite structure with the coexisting orthorhombic and tetragonal phases, where the tetragonal phase increased and the orthorhombic decreases with increasing x. The average grain size decreased from 350.34 to 130.36 µm with increasing x. The dielectric constants at room temperature (eR) and at the Curie temperature (eC), density, remanent polarization (Pr), and piezoelectric coefficient (d33) decreased as x increased. The changes in the crystal structure and microstructure affected electrical properties.

The BCTS-xWO2 ceramics showed pure perovskite phase with the orthorhombic and tetragonal phases coexisting for all samples. The content of tetragonal phase increased with x rising, as checked by the Rietveld refinement procedure. The average grain size and the measured density of the samples tended to decrease from 35±0.56 to 1.9±0.12 µm and 5.59 to 4.88 g/cm3, respectively, when x increasing. The dielectric behavior of the ceramics strongly degenerated upon WO2 doping. The undoped BCTS ceramic showed well-saturated P-E hysteresis loops. With WO2 doping, the sample became unsaturated and a leakage current was created.

The XRD patterns of all BCTS-xZrO2 ceramics exhibited a single perovskite structure with the coexistence of orthorhombic and tetragonal phases. As x increased, wide grain size distribution and non-uniform grain were observed. The TO-T and TC tended to increase with rising x. The dielectric constants at room temperature (eR) and at the Curie temperature (eC), density (), remanent polarization (Pr), and piezoelectric coefficient (d33) were decreased with increase Zr doping. The changes in the crystal structure and microstructure affected electrical properties.

งานวิจัยนี้ศึกษาผลการแทนที่ของ MnO2, WO2 และ ZrO2 ที่ปริมาณ 0, 0.005, 0.010, 0.015 และ 0.020 mol% ที่มีต่อการเกิดเฟส โครงสร้างจุลภาค และสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก (Ba097Ca0.03) (Ti0.94Sn0.06)03 (BCTS) ด้วยเทคนิคการเผาไหม้ในสถานะของแข็ง โดยใช้ไกลซีนเป็นเชื้อเพลิง แคลไซน์ผงผลึกที่อุณหภูมิ 1100 °C เป็นเวลา 4 ชั่วโมง และซินเตอร์เซรามิกที่อุณหภูมิ 1400 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ศึกษาโครงสร้างผลึกด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และวิธีการปรับแต่งรีทเวลด์ ศึกษาโครงสร้างจุลภาค และสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก

พบว่าแบบรูป XRD ของเซรามิก BCTS ที่แทนที่ด้วย MnO2 (BCTS-xMnO2) แสดงโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ในทุกตัวอย่าง ซึ่งเป็นเฟสร่วมกันระหว่างออร์โธรอมบิกและเททระโกนัล โดยเฟสเททระโกนัลเพิ่มขึ้น และออร์โธรอมบิกลดลงเมื่อปริมาณ MnO2 เพิ่มขึ้น ขนาดเกรนเฉลี่ยลดลงจาก 350.34 เป็น 130.36 m ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิห้อง (eR) และที่อุณหภูมิคูรี (eC) ความหนาแน่น ค่าโพลาไรเซชันคงค้าง (Pr) และค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริก (d33) ลดลงเมื่อ MnO2 เพิ่มขึ้น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างผลึก และโครงสร้างจุลภาคส่งผลต่อสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก

เซรามิก BCTS ที่แทนที่ด้วย WO2 (BCTS-xWO2) แสดงโครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์ในทุกตัวอย่าง ซึ่งเป็นเฟสร่วมกันระหว่างออร์โธรอมบิก และเททระโกนัล เมื่อปริมาณ WO2 เพิ่มขึ้น เฟสเททระโกนัลเพิ่มขึ้น ซึ่งตรวจสอบด้วยการปรับแต่งรีทเวลด์ ขนาดเกรนเฉลี่ย และความหนาแน่นของเซรามิกมีแนวโน้มลดลงจาก 350.56 เป็น 1.90.12 m และ 5.59 เป็น 4.88 g/cm3 ตามลำดับ เมื่อปริมาณ WO2 เพิ่มขึ้น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของเซรามิกลดลงอย่างมาก โดยเซรามิก BCTS แสดงวงวนฮิสเทอรีซิสแบบอิ่มตัว และเมื่อเกิดการแทนที่ W4+ เป็น 0.005 mol% วงวนฮิสเทอรีซิสไม่อิ่มตัว และเกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า (leakage current)

แบบรูป XRD ของเซรามิก BCTS ที่แทนที่ด้วย ZrO2 (BCTS-xZrO2) แสดงโครงสร้าง เพอรอฟสไกต์ ซึ่งเป็นเฟสร่วมกันระหว่างออร์โธรอมบิก และเททระโกนัล เมื่อปริมาณ ZrO2 เพิ่มขึ้น เฟสเททระโกนัลเพิ่มขึ้น ยืนยันด้วยขั้นตอนการปรับแต่งรีทเวลด์ โครงสร้างจุลภาคแสดงการกระจายตัวของขนาดเกรนค่อนข้างกว้าง และเกรนมีขนาดไม่สม่ำเสมอ พีค TO-T และ TC มีแนวโน้มเลื่อนไปยังอุณหภูมิสูงขึ้น เมื่อปริมาณ ZrO2 เพิ่มขึ้น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิห้อง (eR) ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิคูรี (eC) ความหนาแน่น () ค่าโพลาไรเซชันคงค้าง (Pr) และค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริก (d33) ลดลง เมื่อปริมาณ ZrO2 เพิ่มขึ้น ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างผลึก และโครงสร้างจุลภาคส่งผลต่อสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก