REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Miniaturizacija elektronskih naprav zahteva pripravo funkcijskih komponent v obliki
mikrometrskih debelih plasti. Eden izmed najbolj obetavnih funkcijskih materialov je
relaksorski feroelektrik (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3 (PMN–100xPT), saj izkazuje
vsestranske dielektrične, piezoelektrične in relaksor-feroelektrične lastnosti. Integracijo
funkcijskih keramičnih materialov na neuveljavljene substrate, kot so kovine in polimeri,
otežuje pojav termičnih procesov ob visokotemperaturnem postopku sintranja keramike.
V tej doktorski nalogi smo debele plasti PMN–100xPT nanesli na nizkocenovne podlage.
Z namenom učinkovitejšega združevanja materialov smo uporabili metodo nanosa plasti v
aerosolu (ang.: aerosol deposition, AD), ki temelji na pršenju delcev in oblikovanju prevlek
pri sobni temperaturi. Plasti PMN–10PT in PMN–35PT smo nanesli na podlage iz
nerjavnega jekla (ang.: stainless steel, SS) in upogljivega poliimida (PI). Osredotočali smo
se na optimizacijo procesa nanašanja debelih plasti na podlage in na vpliv segrevanja
vzorcev na njihove strukturne, mikrostrukturne in funkcijske lastnosti.
Opredelili smo ključne korake obdelave prahu, ki omogočajo uspešen nanos plasti.
Ugotovili smo, da je za učinkovit nanos plasti prah potrebno po mehanokemijski sintezi
dodatno segreti in mleti. Po omenjenem postopku postane prah visoko kristaliničen z nekaj
sto nm velikimi delci. Z optimiziranimi prahovi PMN–10PT in PMN–35PT smo pridobili
nekaj μm debele plasti z visoko gostoto, nizko poroznostjo (1,5–3,0 %) in dobrim spojem s
podlago. Na zelo visoko dielektrično prebojno trdnost debelih plasti (več kot
900 kV·cm–1) pomembno vplivata predvsem debelina in visoka gostota.
Debele plasti smo v nadaljevanju toplotno obdelali pri temperaturah, nižjih od
temperatur, ki so potrebne za sintranje keramike. Plasti na PI smo segreli na 400 °C in
plasti na SS na 500 °C. Te zmerne temperature niso vplivale na mikrostrukturo debelih
plasti, saj je bila rast kristalitov in zrn zanemarljiva, gostota plasti pa je ostala enaka. Iz
strukturnih analiz rentgenske difrakcije in ramanske spektroskopije je razvidno, da je
segrevanje debelih plasti PMN–10PT in PMN–35PT vodilo v popuščanje tlačnih napetosti,
ki so se v plasteh razvile med postopkom nanašanja. Nanešene debele plasti izkazujejo
lastnosti, ki so obetavne za shranjevanje električne energije. Te lastnosti se po segrevanju
še izboljšajo zaradi popuščanja napetosti. Po segrevanju doseže gostota povrnjene električne
energije (ang.: recoverable energy-storage density, Urec) v plasteh 8,8–9,8 J·cm–3 in
učinkovitost shranjevanja električne energije (η) 61–79 % pri električnem polju
900 kV·cm–1. Debele plasti PMN–10PT na SS izkazujejo tudi odlično temperaturno
stabilnost do 200 °C in odlično odpornost proti električnemu utrujanju do 16·106 ciklov.
Na debelih plasteh PMN–10PT na PI smo naredili teste upogibanja, ki so pokazali visoko
prožnost (brez poškodbe do 1,1 % upogibne napetosti) in visoko trpežnost (do 105 ciklov
upogibanja). V debelih plasteh PMN–35PT na SS smo potrdili tudi piezoelektrični pojav.
Nanešeni vzorci dosežejo piezoelektrični koeficient 25 pm·V–1, dodatno segreti vzorci pa
41 pm·V–1. Dokazali smo, da je integracija debelih plasti PMN–100xPT na nizkocenovne
podlage izvedljiva, kar lahko občutno vpliva na raznolikost in dostopnost bodočih
elektronsko-energetskih sistemov in naprav.