REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Keramika na osnovi barijevega cirkonata titanata-barijevega kalcijevega titanata 0,5Ba(Zr0,2Ti0,8)O3-0,5(Ba0,7Ca0,3)TiO3 (BZT-BCT) predstavlja okolju prijazno nadomestilo komercialno najbolj razširjeni svinčevi piezoelektrični keramiki Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT). Tanke plasti omogočajo miniaturizacijo elektronskih komponent, na primer v napravah za zbiranje ali shranjevanje energije.
Priprava tankih plasti BZT-BCT s sintezo iz raztopine predstavlja izziv, saj je za plasti značilna porozna mikrostruktura z enakoosnimi zrni in razpoke po mejah med zrni, kar posledično omejuje doseganje dobrih funkcijskih lastnosti. Poleg tega lahko v raztopinah za pripravo tankih plasti, ki kot topilo vsebujejo karboksilno kislino, poteče delna hidroliza alkoksidnih reagentov, kar vodi do izgube kemijske homogenosti.
Da bi raziskali povezavo med mikrostrukturo in funkcijskimi lastnostmi tankih plasti BZT-BCT, smo razvili alternativno sintezo raztopin za nanašanje plasti. Nova sinteza vključuje etilenglikol (EG) in etanol (EtOH) kot topili za zemljoalkalijska acetata in alkoksida kovin prehoda. Najprej smo z novo kombinacijo topil pripravili tanke plasti osnovne spojine barijevega titanata (BaTiO3, BT). Raztopina za nanašanje plasti je bila obstojna več kot leto. Raztopino s koncentracijo 0,2 M smo nanesli na podlage platiniziranega silicija (Pt/Si) z metodo vrtenja in po vsakem nanosu plast žgali pri 800 °C. Plasti BT z debelino ≈130 nm in stebričasto mikrostrukturo izkazujejo dielektričnost ≈600 pri 1 kHz in sobni temperaturi ter največjo polarizacijo 26 μC∙cm-2 pri polju 2,4 MV∙cm-1.
Nadalje smo s sintezo s topiloma EG in EtOH pripravili tanke plasti BZT-BCT. Izkazalo se je, da je bilo za plasti s kolumnarno mikrostrukturo potrebno znižati koncentracijo raztopine za nanašanje plasti na 0,1 M in povišati temperaturo žganja na 850 °C. Tanke plasti s stebričasto mikrostrukturo so kemijsko homogene po preseku, brez sekundarnih faz ali interakcij s podlago Pt/Si.
Tok puščanja v tankih plasteh BZT-BCT smo učinkovito zmanjšali z dopiranjem z manganom (1 molski %). Približno 120 nm debele plasti na podlagah Pt/Si izkazujejo dielektričnost ≈670 pri 1 kHz in sobni temperaturi, največjo polarizacijo 32 μC∙cm-2 pri polju 1,15 MV∙cm-1, piezoelektrični koeficient d33 20 pm∙V-1 in deformacijo 0.18 %, izmerjeno z dvožarkovnim laserskim interferometrom. Plasti so primerne za shranjevanje energije, pri čemer sta obnovljiva energija (Urec) 10 J∙cm-3 in izkoristek (η) 69 %.
Ko je debelina plasti na podlagah Pt/Si presegla ≈120 nm, so se začele pojavljati razpoke po mejah med zrni kot posledica napetosti, ki se pojavijo zaradi velike razlike v temperaturnih razteznostnih koeficientih (TEK) plasti in silicijeve podlage. Z uporabo podlage platiniziranega safirja z nekajkrat večjim TEK v primerjavi s silicijem smo močno zmanjšali napetosti v plasteh. Uspeli smo pripraviti do 680 nm debele plasti BZT-BCT, dopirane z manganom in s stebričasto mikrostrukturo. Tanke plasti z debelino 340 nm izkazujejo dielektričnost 930 pri 1 kHz in sobni temperaturi, največjo polarizacijo ~47 μC∙cm-2 pri polju 3,5 MV∙cm-1, piezoelektrični koeficient d33 40 pm∙V-1 in deformacijo 0,77 %. Z izmerjeno obnovljivo energijo ~46 J∙cm-3 in izkoristkom 89 % predstavljajo tanke plasti BZT-BCT obetavno možnost za shranjevanje energije.