Аннотация
В данной работе изучено влияние размера частиц в нанодиапазоне на электрофизические свойства сегнето- и пьезокерамических материалов на основе оксидов со структурой перовскита.
Изучение влияния размера частиц в нанодиапазоне (1–100 нм) на электрофизические свойства сегнето- и пьезокерамических материалов на основе оксидов со структурой перовскита представляет научный интерес и важно для оптимизации технологических процессов производства и получения сегнето- и пьезоматериалов (ЦТС, ТБ) с высокими, стабильными и воспроизводимыми свойствами, а также возможности их использования для создания новых приборов и устройств различного назначения.
Для синтеза сегнетоматериалов в нанодиапазоне использовали синтез из оксалатного прекурсора. Оксалатный синтез – один из способов, основанных на осаждении трудно растворимых комплексов, в которых ионы металлов находятся в заданном стехиометрическом соотношении.
Размер синтезированных частиц перовскитовой фазы зависит в первую очередь от температуры термообработки оксалатного прекурсора. На электронно-микроскопических снимках (рис. 1) видно, что при температуре 860 °С частицы синтезированного перовскита находятся в нанодиапазоне. При температуре синтеза 1150 °С, характерной для традиционного керамического синтеза, размер частиц уже значительно превышает пределы нанодиапазона. Оксалатный синтез титаната и цирконата бария, а также цирконатов-титанатов свинца позволяет при температуре порядка 860 °С получить практически 100 % выход перовскитовой фазы.
Рис. 1 – Фотографии продуктов, полученных термообработкой прекурсора BaZrO3 при температуре: 1 – 300 °С и 660 °С, 3 – 860 °С и 4 – 1150 °С.
Для нанодисперсных порошков пьезоэлектриков и, в частности BaTiO3, важно установить зависимость температуры точки Кюри от размера наночастиц.
Результаты измерений показаны на рис. 2.
Рис. 2 – Зависимость Тc от d неконсолидированных частиц BaTiO3.
Результаты показывают, что наиболее сильно эффект изменения Тс проявляется при размере наночастиц BaTiO3 меньше 60 нм. Так при размере частиц титаната бария d = 11,6 нм Тс = 25 °С. Таким образом, при этом размере частиц титанат бария теряет сегнетоэлектрические свойства (оказывается в параэлектрической фазе) уже при комнатной температуре. Для неконсолидированных частиц с уменьшением их размеров границы фазовых переходов смещаются в область низких температур, т. е. Тс (d) < Тс (∞).
Это не означает, что наноструктурные образцы не перспективны по уровню своих свойств. Консолидированные наносистемы являются связанными, т. е. собственные колебания всех частиц (кристаллитов) в рамках одного зерна представляют собой некий согласованный ансамбль осцилляторов.
В качестве важного примера в табл. 1 сопоставлены основные диэлектрические и пьезоэлектрические параметры наноструктурной пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) и пьезокерамики, полученной традиционным керамическим синтезом (КС).
Таблица 1 – Сравнительные характеристики пьезокерамики
| Состав, и метод получения пьезокерамики | ε33/ε0 | tg δ | Кр | Qm | d31·10-12, Кл/Н | Tc, °C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pb(Zr0,52Ti0,48)O3, (КС) | 730 | 0,0040 | 0,529 | 600 | 93,5 | 386 |
| Pb(Zr0,52Ti0,48)O3, (ОМ) | 1180 | 0,0045 | 0,56 | 800 | 130 | 385 |
| Pb(Zr0,52Ti0,48)O3, + 0,7 % моль MnO2, (ОМ) | 1250 | 0,0035 | 0,58 | 1100 | 160 | 385 |
| ЦТССт – 3, (КС) | 1400 | ≤0,0055 | ≥0,55 | ≥800 | ≥140 | 290 |
Из таблицы 1 видно, что уровень пьезосвойств керамики Pb(Zr0,52Ti0,48)O3, полученной ОМ значительно превышает уровень пьезосвойств керамики, полученной традиционным керамическим методом. Таким образом, электрофизические и физико-химические свойства пьезокерамики зависят от нано- и микроструктуры.
Использование нанодисперсных пьезокерамических материалов, позволяет получать высокий уровень пьезосвойств пьезокерамики не только для материала типа ЦТС, но и для любых других пьезоматериалов, в том числе безсвинцовых, Поэтому физико-химические исследования каждой операции может дать важный толчок в улучшении свойств и повышению их воспроизводимости.