Mn+3 ve Nb+5 Katkılı BNT-BT Kurşunsuz piezoelektrik malzemelerde bor ilavesinin elektriksel özelliklere etkileri

Abstract

Kurşun içermeyen piezoelektrik seramikler, yaygın olarak kullanılan (PbZr1-xTixO3 gibi) kurşun esaslı piezoelektrik seramiklere alternatif olarak araştırılmaktadır. Bu anlamda en çok incelenen malzemelerden biri de (Bi0.5Na0.5)TiO3 ; BNT-esaslı seramiklerdir. Saf halde BNT seramikler yüksek koersif alan nedeniyle kutuplanma zorluğu ve buna bağlı olarak düşük piezoelektrik özellikler göstermektedir. Ancak BaTiO3 ile oluşturdukları katı çözeltilerinde özelliklerin iyileştiği görülmüştür. Özellikleri daha da geliştirmek amacıyla bazı dopant ilaveleri de yapılmıştır. Literatürde yaygın olarak B2O3 katkısının sıvı faz oluşturarak sinterlemeyi kolaylaştırıcı ve ara yere giderek donör davranış gösterdiği rapor edilmektedir. Bu çalışmada, üç farklı bileşim olarak katkısız, %1 Mn+3 -katkılı ve %1 Nb+5 -katkılı (Bi0.5Na0.5)TiO3 -BaTiO3 (BNT-BT) seramiklere %1 B+3 ilave edilerek katı hal yöntemiyle üretilmiştir. Yoğunlukları Arşimet yöntemiyle belirlenen seramikler X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiş ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. Her bir bileşim için piezoelektrik sabiti (d33), dielektrik sabiti (εr ), dielektrik kayıp (tanδ), polarizasyon ve gerinim histeresiz (P-E ve S-E) ölçümleri gerçekleştirilmiştir.

Lead-free piezoelectric ceramics are researched as an alternative to commonly used lead-based (such as PbZr1-xTixO3) piezoelectric ceramics. In this aspect, one of the most investigated materials is (Bi0.5Na0.5)TiO3 ; BNT-based ceramics. Pure BNT ceramics are hard to be poled and have low piezoelectric properties due to their high coercive electric field. However, these properties can be improved when a solid-solution is formed with BaTiO3 . Some dopants have been added to further improve the properties. In literature it is often reported that B2O3 is a sintering aid and behaves as a donor dopant occupying interstitial positions. In this study, undoped, %1 Mn+3 -, and %1 Nb+5 -doped (Bi0.5Na0.5)TiO3 -BaTiO3 (BNTBT) ceramics were produced with %1 B+3 addition by using solid-state method. After the density measurements by Archimedes method, ceramics were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and their electrical properties were investigated. Piezoelectric charge constant (d33), dielectric constant (εr ), dielectric loss (tanδ), polarization and bipolar strain hysteresis (P-E and S-E) measurements were performed for each composition.