A New Insight on Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Nano Scale Powders for Thin Film Capacitor

Year 2014, Volume: 14 Issue: 3, 107 - 116, 01.12.2014

Mehmet Faruk Ebeoğlugil Erdal Çelik

Abstract

The present paper extensively demonstrates synthesis, characterization and electrical properties of relaxor ferroelectric Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) nano scale powders and PMN thin films on n-type Si substrates using sol-gel technique for capacitor applications. Transparent solutions were prepared from Pb, Mg and Nb based precursors, methanol and glacial acetic acid (GAA). The obtained solutions were dried at 80oC for 60 minutes in air to form gel structure of PMN mixture and heat treated at 530oC for 3 hours and subsequently sintered at the temperature range of 800 oC and 1000oC for 2 hours in air. After the sintering, the PMN powders were milled for 24 hours to obtain nano scale powders. The powder size was measured using particle size machine. Finally the powders were dispersed in alcohol and the obtained suspension was coated on n-type Si substrates. The films were dried at 50oC for 15 minutes and subsequently were heat treated at 730 oC for 30 minutes in air to ensure its adhesion strength. Thermal, structural, microstructural, mechanical and electrical properties of the powder and the coatings were characterized by DTA/TG, FTIR, XRD, SEM, refractometer, spectrophotometer and high resolution dielectric analyzer machines. The study provides a new insight on the nano scale powders of PMN structure coated on Si semiconducting surface

Keywords

PMN; Nano powder

İnce Film Kapasitör İçin Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Nano Ölçekli Tozlar Hakkında Bir Yeni Anlayış

Abstract

Mevcut makale kapasitor uygulması için sol-jel tekniği kullanılarak relaksör ferroelektrik Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) nanotozların ve n-tipi Si altlıklar üzerine PMN filmlerin sentezlenmesi, karakterizasyonu ve elektriksel özellikleri geniş bir şekilde açıklanmaktadır. Saydam çözeltiler Pb, Mg ve Nb esaslı prekursörler, metanol ve glasiyel asetik asitten (GAA) hazırlanmıştır. Elde edilen çözeltiler PMN karışımın jel yapısını oluşturmada 80oC’de 60 için havada kurutulmuş ve 530oC’de 3 saat için ısıl işlem yapılmış ve bunu takiben 800 oC ve 1000oC aralığında 2 saat için havada sinterlemiştir. Sinterleme sonrası PMN tozları nano ölçekli toz oluşturmak için 24 saat öğütülmüştür. Toz boyutu partikül boyut ölçüm cihazıyla ölçülmüştür. Sonuçta tozlar alkolde disperse edilmiş ve oluturulan süspansiyon n-tipi Si üzerine kaplanmıştır. Filmler 50oC’de 15 dakika için kurutulmuş ve müteakiben bunların yapışma mukavemetini artırmak için 730 oC’de 30 dakika için havada ısıl işlem yapılmıştır. Tozların ve kaplamaların termal, yapısal, mikroyapısal, mekanik ve elektriksel özellikleri DTA/TG, FTIR, XRD, SEM, refraktometre, spektrofotometre ve yüksek çözünürlüklü dielektrik analizör cihazları kullanılarak karakterize edilmiştir. Çalışma Si yarıiletken yüzey üzerine kaplanmış PMN yapısının tozlardan oluşturulması bir yeni anlayış sağlamıştır. © Afyon Kocatepe Üniversitesi

Keywords

PMN; Nano toz

References

• Bhuiyan, M.S., Paranthaman, M. and Salama, K., 2006. Topical review: solution-derived textured oxide thin films-a review. Superconductor Science and Technology, 19, R1-R21.
• Chaipanich, A. and Tunkasiri, T., 2007. Effect of milling time on the properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 ceramics using the starting precursors PbO and MgNb2O6. Current Applied Physics, 7, 281-284.
• Culha, O., Ebeoglugil, M.F., Birlik, I., Celik, E. and Toparli, M., 2009. Synthesis and characterization of semiconductor tin oxide thin films on glass substrate by sol–gel technique. J. Sol-Gel Science and Technology, 5, 32–41.
• Deliormanlı, A.M. Celik, E. and Polat, M., 2007. The isoelectric point of lead magnesium niobate. J. Am. Ceram. Soc., 90, 3314–3317.
• Gentil, S., Damjanoviç D. and Setter, N., 2004. Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 and (1–x) Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- xPbTiO3 relaxor ferroelectric thick films: processing and electrical characterization. J. Electroceram., 12, 151–161.
• Guha, J.P., 1999. Reaction chemistry and subsolidus phase equilibria in lead-based relaxor systems: Part I Formation and stability of the perovskite and pyrochlore compounds in the system PbO-MgO- Nb2O5. J. Materials Science, 34, 4985– 4994.
• Parola, S.;et al., 2003. New sol-gel route for processing of PMN thin films. J. Sol-Gel Science and Technology, 26, 1109–1112.
• Pierre, A.C. and Bernard-Lyon I., 1998. Introduction to sol- gel processing. University Claude, Kluwer Academic Publishers-Boston, Dordrecht, London, pp. 186-190.
• Schwartz, R.W., 1997. Chemical solution deposition of perovskite thin films. Chem. Mater., 9, 2325–2340.
• Sakar-Deliormanli, A., Celik, E. and Polat, M., 2008. Phase formation and microstructure of Nd+3 doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 prepared by sol-gel method. J. Mater Sci, Mater Electron, 19, 577–583.
• Sakar-Deliormanli, A., Celik, E. and Polat, M., 2009. Preparation of the Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 films by aqueous tape casting. J. the European Ceramic Society, 29, 115–123.