REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

KTaO3 je značilni predstavnik feroelektrikov v zametku, ki so pomembni materiali tako iz vidika temeljnih kot tudi aplikativnih raziskav. Kljub temu, da je zelo dobro poznan kot monokristal, je podatkov o tehnološko zanimivi keramiki ter tankih plasti zelo malo, predvsem zaradi zahtevnega procesiranja. Prav tako so slabo poznane tudi njihove dielektrične lastnosti.
V okviru doktorske disertacije smo pripravili perovskitne prahove KTaO3 s segrevanjem mehanokemijsko aktiviranih mešanic prahov K2CO3-Ta2O5 pri 800°C. Ker smo opazili strukturno heterogenost na nanometrskem nivoju, smo jih dodatno segrevali pri isti temperaturi. Enofazno perovskitno keramiko, z relativnimi gostotami višjimi od 95 %, smo uspešno pripravili s sintranjem pod pritiskom pri 1250°C. Keramika je imela bimodalno razporeditev velikosti zrn na mikrometrskem nivoju. Dielektričnost, izmerjena pri 5 K in 1 kHz, keramike pripravljene iz dvakrat kalciniranih prahov, je dosegla vrednost 4080, kar je skoraj dvakrat toliko kot v primeru keramike iz enkrat kalciniranih prahov. Za primerjavo, monokristal ima pri isti pogojih merjenja vrednost dielektričnosti približno 4500.
V disertaciji je bila prvič analizirana dinamika kristalne mreže v keramiki KTaO3. V infrardečih spektrih smo opazili pasove, ki pripadajo trem različnim resonancam značilnih za perovskitne materiale s kubično strukturo. Frekvenca prvega nihanja, označenega s TO1 (mehki način nihanja), ki je večinoma posledica nihanja Ta5+ ionov v O6 oktaedrih, se drastično znižuje z nižanjem temperature. Pri frekvencah nižjih od mehkega načina nihanja dodatnih disperzij nismo opazili in dielektričnost, izmerjeno v radio ter mikrovalovnem frekvenčnem območju, lahko opišemo zgolj z intrinzičnim prispevkom dinamike kristalne mreže. Obnašanje je zelo podobno kot v monokristalu, vrednosti frekvenc mehkega načina nihanja, ki so primerljive z vrednostmi pri monokristalu, pa nakazujejo na zanemarljiv vpliv meja med zrni na dielektrični odziv keramike KTaO3.
Za primerjavo smo s sintezo iz raztopin pripravili tudi 200 nm debele polikristalinične tanke plasti KTaO3. Enofazne perovskitne plasti smo pripravili z nanosom solov, ki so vsebovali 30 at.% prebitka kalija, na korundne oziroma (0001) safirne podlage, ter segrevanjem pri 900°C.
Dielektrične lastnosti plasti KTaO3 smo analizirali s široko-frekvenčno dielektrično spektroskopijo. Opazili smo vrh v temperaturni odvisnosti dielektričnosti, ki smo jo izmerili v radio in mikrovalovnem frekvenčnem območju, kar je v nasprotju z opažanji na monokristalih in keramiki. Prisotnost nizko-temperaturne feroelektrične faze smo zaznali tudi z meritvijo kvazi-statične polarizacije.
Analiza dinamike kristalne mreže plasti na safirnih podlagah je pokazala, da se frekvenca mehkega načina nihanja znižuje z nižanjem temperature zgolj do ~60 K. V teraherčnih spektrih smo zaznali dodatno relaksacijo, tako imenovani centralni način
nihanja, ki nad ~60 K ni aktivna, pod to temperaturo pa postane neposredno sklopljena s polarizacijo. Opisano obnašanje nakazuje na induciran prehod iz paraelektrične v feroelektrično fazo, ki je bil v polikristaliničnih tankih plasteh KTaO3 opažen prvič.
Z metodo iz raztopin smo pripravili tudi tanke plasti KTa0,6Nb0,4O3, sestave v trdni raztopini KTaO3 s feroelektrikom KNbO3. Material se v literaturi omenja kot kandidat za uporabo v mikrovalovnih elektronskih aplikacijah.
Plasti smo pripravili z refluksom kalijevega acetata in etoksidov obeh kovin prehoda v 2-metoksietanolu. S spektroskopijo podaljšane fine strukture rentgenske absorpcije smo spremljali strukturo solov po različnih časih refluksa. Ugotovili smo, da se struktura monomernih molekul Ta alkoksida ne spreminja, medtem ko dimerne molekule Nb alkoksida s časom preraščajo v oligomerne oblike. Povezavo med K in obema kovinama prehoda preko kisika smo zaznali v vseh solih, vendar število K sosedov v Nb okolici narašča s časom refluksa ter se ustali šele po 24 h refluksa.
Nastanek povezav med kalijem ter obema kovinama prehoda ugodno vpliva na kristalizacijo plasti KTa0,6Nb0,4O3 na korundnih podlagah. Enofazne perovskitne plasti smo uspešno pripravili z nanosom solov po 24 h refluksu ter segrevanjem pri 900°C, medtem ko so bile plasti, pripravljene iz solov refluktiranih 1 h, vedno večfazne in so imele heterogeno mikrostrukturo. Prav tako so se z daljšim časom refluksa izboljšale tudi dielektrične lastnosti. Napetostna prilagodljivost plasti pripravljenih iz solov refluktiranih 24 h, izmerjena pri sobni temperaturi, 1 MHz in polju 92 kV/cm, ima vrednost 3.8.
Ugotovili smo, da je dielektričnost KTa0,6Nb0,4O3 plasti pripravljenih iz solov refluktiranih 24 h, močno frekvenčno odvisna in se zniža iz 2430 pri 10 kHz na 590 pri 14.5 GHz. Relaksorsko obnašanje smo potrdili z opisom eksperimentalnih podatkov s pomočjo Vogel-Fulcherjevega zakona. Kljub temu da omenjeno obnašanje in z njim povezanim visoke dielektrične izgube omejujejo uporabnost plasti KTa0.6Nb0.4O3 pripravljenih iz raztopin v mikrovalovnih komponentah, bi lahko nadaljnje raziskave lastnosti plasti v povezavi z opaženimi nano-metrskimi heterogenostmi v solih, pripeljale do izboljšanja funkcijskih karakteristik.