MIKROSTRUKTURA IN ELEKTROMEHANSKE LASTNOSTI Z Marjana Dvoršek, Marija Kosec KLJUČNE BESEDE: plezokeramika, PZT keramika, elektronski materiali, dopiranje, donorji, mikrostruktura, dielektrične lastnosti, elektromehanske lastnosti, lastnosti materiala, eksperimentalne raziskave POVZETEK: V prispevku so opisane mikrostrukture, dielektrične in elektromehanske lastnosti PZT keramike dopirane z donorji. Vzorci s sestavo Pb(Zro,52Tio,48)03 z dodatki Nb205, oz, SbaOa kažejo podobno obnašanje ne glede na vrsto dopanta. Dopirane keramike so v določenem koncentracijskem območju le malo odvisne od množine aditiva, čeprav velikost zrn pada z vsebnostjo aditiva. MICROSTRUCTURAL AND ELECTROMECHANICAL PROPERTIES OF DONOR DOPED PZT CERAMICS KEY WORDS: piezoceramics, PZT ceramics, electronic materials, dopping, donors, microstructure, dielectric properties, elektromechanical properties, experimental research, material properties ABSTRACT: Microstructural, dielectric and electromechanical properties of some donor doped PZT ceramics were investigated. Samples having initial compositions Pb{Zro.52Tio,48)03 with addition of NbaOs and SbaOs respectively show similar behaviour indepent of dopant type. Over an extended concentration range certain functional properties are practically constant, whereas the grain size decreases with increasing amount of substitute ions. 1. UVOD Plezokeramika je pomemben material sodobne elektronike. Zaradi njene sposobnosti, da pretvarja mehansko energijo v električno in obratno (direktni in obratni pie-zoefekt), ima zelo širok spekter uporabe. Uporabljamo jo na primer za: - pogonske in bimorfne elemente v mikročrpalkah, srčnili vzbujevalnikih, relejiii, aktuatorjih in generatorjih zvoka, - senzorje v merilcih pretoka, pritiska, vibracij, - generatorje visokih napetosti v vžigalnikih, - generatorje ultrazvoka visokih moči v sonarjih, UZ čistilcih, napravah za varenje plastike in kovin In razpršilnikih, - akustične vodnike in resonatorje - filtri, oscilatorji, frekvenčni diskriminatorjl, - elementi za zakasnitve v zakasnitvenih linijah'^'. Za izdelavo elektronskih komponent, kot so npr. plezo-keramični elementi za akustične aplikacije, je v rabi keramika na osnovi trdne raztopine svinčevega clrkona-ta titanata (PZT), dopirana z višje valentnimi ioni - donorji. Tovrstna keramika ima visok sklopitveni faktor, visoke piezoelektrične d-konstante in nizek mehanski faktor kvalitete*^Na omenjene lastnosti piezokera- mike poleg kemijske sestave močno vpliva tudi homogenost, gostota in mikrostruktura keramike. Najbolj običajen postopek priprave PZT trdne raztopine je visokotemperaturna sinteza, ki jo izvajamo iz mešanice oksidov svinca, titana in cirkonija. Težave pri homo-genizaciji in variacije v sestavi ter fizikalnih lastnostih posameznih oksidov so lahko vzrok za nehomogenosti v sestavi in strukturi sintranega materiala, kar vpliva na piezoelektrične in mehanske lastnosti piezokeramike. Dodaten problem predstavlja relativno visok parni tlak PbO že pri temperaturah, kjer poteka sinteza trdne raztopine. Optimalna temperatura za sintezo je tako med 850 in Z namenom, da bi sistem čim bolje obvladovali, je bilo študiju reakcij v trdnem med PbO, Ti02, In Zr02 namenjenega veliko dela'^Na osnovi faznega diagrama'®' so vtem sistemu možne naslednje faze PbO, Ti02, Zr02 in njihove trdne raztopine z enako strukturo ter PbTiOs, PbZr03, ZrTI04 in Pb(Zr,TI)03. Avtorji'®"^^' so si enotni, da najprej nastane PbTiOs. Nastali reakcijski sistem, PbTIOs, PbO in Zr02, reagira v končni produkt perovskit PZT. Posamezne reakcije in homogenost perovskita pa so odvisne od temperature, časa mešanja in predvsem od zrnavosti Zr02' Dodatki dopantov zavirajo homo-genizacijo PZT. Za nastanek homogene PZT trdne raztopine dopirane z Nb205 ali Sb203'^®' ali Fe203(14) je potrebna višja temperatura kot za nastanek nedopirane PZT trdne raztopine. To je nad 900°C. Prav tako je fazna sestava PZT trdne raztopine zelo odvisna od vrste in množine tujega oksida v PbO, Zr02, TiOa mešanicah'^®'. Piezoelektrične in dielektrične konstante dopirane PZT keramike so v veliki meri odvisne od gibljivosti domen , te pa od: - razmerja Zx'^^ut^, - zamenjave Pb^^ ali Zr^"", oz. Ti''^ z izo-, nižje- ali višje-valentnimi ioni, - gostote in mikrostrukture. Začetne raziskave piezoelektričnih in dielektričnih lastnosti v PbZrOa - PbTiOs sistemu so pokazale, da ima PZT keramika s sestavo morlotropne fazne meje najboljše piezoelektrične in dielektrične lastnosti'^'^^. Piezoelektrične in dielektrične karakteristike dopirane PZT keramike so posledica interakcij na P, oz. Z, T mestu v PZT strukturi vgrajenih tujih ionov z regularnimi ioni PZT in posledica defektne strukture z značilnimi prazninami na svinčevih ali kisikovih mestih, ki vplivajo na gibljivost domen. Vgradnja višjevalentnega iona povzroči vrzeli na Pb- mestih, ki omogočajo lažje gibanje domen'^®'"'^®'. Vgrajeni nižjevalentni ioni dajo vrzeli na O-mestih, ki pa zavirajo gibanje domen'^^'^®'. Na piezoelektrične in dielektrične lastnosti vpliva tudi mikrostruktura, vendar je malo raziskav, ki bi obravna- 19) m vale zgolj te relacije. Kot sta pokazala Okazaki Martirena'^"' vrednosti piezoelektričnih konstant in dielektrične konstant pri PZT keramiki naraščajo z velikostjo zrn. Za optimalne omenjene lastnosti je torej zaželena PZT keramika s čimbolj grobozrnato mikrostrukturo. Na drugi strani pa povečanje velikosti zrn zmanjšuje mehansko trdnost keramike'^^'. Da dosežemo optimalne piezoelektrične in dielektrične lastnosti, je potrebna tudi visoka gostota keramike, saj se vrednost omenjenih karakteristik povečuje z večanjem gostote'^^" Cilj dela je bil raziskati vpliv donorjev Sb in Nb na mikrostrukturne in funkcionalne lastnosti PZT keramike ter določiti optimalne koncentracije omenjenih aditivov. Rezultati naj bi bili osnova za sestavo industrijskega vzorca PZT keramike za akustične aplikacije. Podrobnejši rezultati so opisani v magistrskem delu "Piezoke-ramika na osnovi PbO - Zr02 - Ti02 - Sb203 - Nb202 sistemov"'^®'. 2. PRAKTIČNO DELO Pri delu smo uporabljali naslednje izhodne materiale: PbO (Ventron, 99,9%, litharge, velikost delcev okoli 5jam), Ti02 (Fluka, 99,89%, anatas, velikost delcev okoli 1|um), Zr02 (Ventron, 99%, badeyelit, velikost delcev okoli 0,3|im, velikost aglomeratov okoli 5(am), SbaOs (BDH, p.a., senarmontit, velikost delcev okoli 0,5|im) in Nb205 (Merck, p.a., ortorombski, velikost delcev okoli 0,5nm). Pripravili smo serijo vzorcev z naslednjimi izhodnimi sestavami: A: Pb(Zro,52Tio,48)l-ySby03-y/2 4- yPbO B: Pb(Zro,52Tio,48)l-yNby03+y/2 + yPbO y: O, 0,005, 0,01, 0,025, 0,04, 0,05, 0,06 in 0,075 Komponente smo zatehtali v skladu z omenjenima formulama v cirkonski mlin s cirkonskimi kroglami, kjer smo jih mešali v acetonu dve uri. Po mešanju smo material posušili. Prah smo segrevali eno uro pri 900°C. Vzorce smo zdrobili in mleli tri ure v omenjenem mlinu, posušili in dodali 4% parafina raztopljenega v cikloheksanu, granulirali skozi sito 350|am in odsejali prah skozi 100)im sito. Iz granulata smo stisnili tablete premera 16mm in višine 2,5mm s pritiskom 200MPa. S segrevanjem do 700 °C in ohlajanjem smo izgnali vezivo. Tablete smo žgali v dvojno zaprtih korundnih lončkih v zasipu s sestavo Pb(Zro,52Tio,48)03 dve uri pri 1285 +!- 10°G v komorni silitni peči. Fazno sestavo vzorcev po sintezi in sintranju smo določali po standardni metodi z rentgensko praškovno analizo z uporabo praškovnega difraktometra Philips PW 1710, CuKa radiacijo. Gostote vzorcev po sintranju smo izmerili po Arhimedovi metodi z vodo. Mikrostrukture smo preiskovali po brušenju in poliranju z diamantnimi pastami z optičnim ali z elektronskim vrstičnim mikroskopom. Nedopirane vzorce in vzorce dopirane z 1 do 2,5 at% Sb®"^ oz. Nb®"" iona smo kemijsko jedkali. Vzorce z več kot 4at% aditiva smo termično jedkali. Velikost zrn smo določili z merjenjem presečnic skozi zrna po linearni metodi'^^' s polavtomatsko napravo MOP/AMO 2 (Kontron). Rezultati so povprečje nad 200 meritev. Na sintrane in 1mm debele tablete smo nanesli in žgali srebrove elektrode (DuPont 7095). Vzorcem smo določili relativno dielektrično konstanto pri 1kHz. Tabletke smo nato polarizirali v silikonskem olju, tako da smo jih segreli na 155-160°Cin nato v visokonapetostnem električnem polju (3kV/mm) ohlajali do približno 90°C. Po 24 urah smo znova izmerili relativno dielektrično konstanto. Piezoelektrično d33 konstanto smo merili z avtomatskim Berlicourt dss metrom (Chanel Products Inc.) pri frekvenci 130Hz. Ostale konstante smo izmerili po IRE standardu z resonančno metodo'^'^®'. 3. REZULTATI IN DISKUSIJA Na osnovi praškovne rentgenske analize smo pri sintra-nih vzorcih, ki vsebujejo od O do 7,5 at% Nb''"' ali O do 4at% Sb®"" ugotovili samo PZT trdno raztopino. Rentgenski spektri vzorcev z nad 4 at% Sb®^ kažejo, da imamo dvofazni sistem. Značilne rentgenske spektre prikazujemo na 1. sliki. Slika 1: Značilni rentgenski spektri: a) Pb(Zro,52Tio,48)03, b) Pb(Zro 527/0 abJOi dopirano z 6 at% Sb in C) Pb(Zro,52Tio.48)03, dopirano z 6 at% Nb^*. (T-tetragonalna in R-romboedrična PZT faza, PS-svinčev antimonat). Pb(Zro,52Tio,48)03 ima čisto tetragonalno strukturo (l.a sl.). Tetragonalnost (razmerje c/a) se zmanjšuje z dodatkom Nb®'^ oz. Sb®^. Pri vzorcih, ki vsebujejo več kot 2,5 at% Nb^"^ ali nad 1 at% Sb^^, smo ugotovili poleg tetragonalne PZT trdne raztopine še romboedrično PZT trdno raztopino, katere intenzitete rentgenskih refleksov se večajo z množino aditiva. Pri vzorcih z nad 4 at% Sb®^, kjer imamo dvofazni sistem, je poleg PZT trdnih raztopin prisotna tudi piro-kiorna faza svinčevega antimonata (PS), katere intenziteta rentgenskih refleksov tudi narašča z množino anti-mona (1 .b sl.). Pri vzorcih z dodatkom donorjev nimamo izrazitih (200) in (002) refleksov, značilnih za tetragonalno fazo. Neizraziti široki refleksi (l.c sl.) kažejo, da imamo spekter PZT faz, ki se med seboj nekoliko razlikujejo v razmerju Zr/Ti, kar kaže na slabšo homogeni-zacijo. 10/- D. Shadwell, Adv. Ceram. Mat., 1(1986) 55 -56 24. K. Mehring, H. SchichI, Feinwerktechnik Messtechnik, M (1976) 322 - 325 25. K. Hikita, K. Yamada, M. Nishioka, M. Ono, Ferroelect., 42(1983) 265 - 272 26. M. Dvoršek, Mag. delo Piezokeramika na osnovi PbO-ZrOs-TiOa-Sb203-Nb202 sistemov. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Ljubljana 1989 27. E. E. Underwood, Quantitative Stereology, Addison Wesley Pupl. Comp., Reading 1970 28. Brush Clevite Comp.Limited Bull., 66017/A (1967) 1 -6 29. M. Kosec, M. Dvoršek, Zbor. stat. konf. Keramika pro elektroniku l.del, Pardubice, 6-8. sept. 1988, 58 - 68 30. R. B. Atkin, R. M. Fuirath, J. Am. Ceram. Soc., M (1971) 265 -270 31. P. J. Jorgensen, J. Am. Ceram. Soc., iS (1965) 207 - 210 32. P. J. Jorgensen, R. C. Anderson, J. Am. Ceram. Soc., 5Ü (1967) 553 - 55 33. M. Kosec, M. Dvoršek, D. Kolar, Proc. Int. Conf. Electronic components and material, Beijing, 7-10 nov. 1989, 16-19 34. S. S. Chiang, M. Nishioka, R. M. Fuirath, J. A. Pask, Am. Ceram. Soc. Buli., (1981) 484 -489 35. F. Kulcsar, J. Am. Ceram. Soc., 42 (1959) 343 - 349 36. K. Carl, K. H. Hardtl, Ferroelectr., 12 (1978) 473 - 486 37. S. Takahashi, Ferroelectr., 41 (1982) 277 - 290 Najlepše se zahvaljujemo ga. Jani Cilenšek in g. Silvu Drnovšek za pomoč pri eksperimentalnem delu in Razis kovalni skupnosti R Slovenije za finančno pomoč. mag. Marjana Dvoršek, dipl.ing ISKRA Zaščite Stegne 35 61000 Ljubljana dr. Marija Kosec, dipl. ing Institut Jožef Stefan Jamova 39 61000 Ljubljana Prispelo: 20.6.91 Sprejeto: 2.9.91