Kurşun esaslı elektronik seramiklerin dielektrik, piezoelektrik ve elektromekanik özelliklerinin karakterizasyonu

Abstract

Kursun zirkonat titanat (Pb(ZrxTi1-x)O3) (0<x<1) (PZT), piezoelektrik özellik gösteren perovskit bir malzemedir. Morfotropik faz sınırı (MFS) adı verilen tetragonal ve rombohedral fazları birbirinden ayıran ve oda sıcaklığında bu sınırın x=0.52 olduğu noktada PZT dielektrik, piezoelektrik ve elektromekanik özellikler en yüksek değerlere sahiptir.PZT, kursun bosluğu yaratan yüksek valansa (yumusak karakter) sahip katkı veya oksijen bosluğu yaratan düsük valansa sahip (sert karakter) katkı ilavesi yapılarak özellikleri kullanım alanlarına göre iyilestirilebilir. Bu çalısmada, yumusak PZT için %4 mol Nb+5 katkısı, sert PZT için %1.5 mol Fe+3 katkısı kullanılmıstır. Toz sentezlenmesi esnasında PZT kompozisyonlarına değisik miktarlarda fazla PbO eklenerek, sentezlenen tozlardan üretilen seramiklerin IEEE standartlarına göre dielektrik, piezoelektrik ve elektromekanik karakterizasyonları yapılmıstır.Artan PbO miktarına göre piezoelektrik gerinim katsayıları ve mekanik kalite faktörleri, Nb+5 katkılı seramikler için artarken Fe+3 katkılı seramiklerde azalmakta olduğu görülmüstür. Elastik uyumluluk katsayıları Nb+5 ve Fe+3 katkılı seramiklerde artan PbO oranına göre arttığı tespit edilmistir. Dielektrik özelliklerde Nb+5 katkılı seramiklerin dielektrik sabiti ve dielektrik kaybı azalırken, Fe+3 katkılı seramiklerin dielektrik sabitlerinde artma görülmüstür. Dielektrik özelliklerin sıcaklığa bağlı değisimi incelenmis ve artan PbO miktarı ile ferroelektrik fazdan paraelektrik faza geçis sıcaklığı olan Curie sıcaklıklarında Nb+5 ve Fe+3 katkılı seramiklerin artan PbO miktarıyla yükselme olduğu ölçülmüstür. Elektromekanik bağlasma katsayıları ise tüm kompozisyonlarda artmıstır.Lead zirconate titanate (Pb(ZrxTi1-x)O3) (0<x<1) (PZT), is a perovskite material that exhibits piezoelectricity. The maximum values of dielectric, piezoelectric and electromechanical properties of PZT are found at the morphotropic phase boundary (MPB), that is a boundary at x = 0.52 at room temperature between the tetragonal and the rhombohedral phases. Properties of PZT could be improved in a better way by doping either with donor (soft) dopants with higher valence or with acceptor (hard) dopants with lower valence. In this work, PZT compositions were doped with 4 mol % Nb+5 to ensure soft character and 1.5 mol % Fe+3 to ensure hard character. PZT powders prepared by adding various amount of excess PbO during synthesis were used to produce ceramics whose dielectric, piezoelectric and electromechanical properties were determined according to the IEEE standarts. Piezoelectric charge coefficients and mechanical quality factor increase with increasing excess PbO for Nb+5 doped PZT ceramics, whereas decrease for Fe+3 doped PZT ceramics. Elastic compliance increased with increasing excess PbO for Nb+5 and Fe+3 doped PZT ceramics. The dielectric constants were found to increase for Nb+5 doped, decrease for Fe+3 doped samples. From the measurement of dielectric properties as a function of temperature, it was found that Curie temperatures were found to shift to higher temperatures with excess PbO. Electromechanical coupling factor increased for both kind of doping.