Electrical Aging in Lead-Free Piozoelectric Ceramics

Year 2014, Volume: 14 Issue: 3, 541 - 548, 01.12.2014

Birkız Dilek Kargı Serhat Tıkız Metin Özgül

Abstract

Perovskite type lead-free piezoelectric Bi0.5(Na0.75K0.20Li0.05)0.5TiO3 (BNKLT), 0.948(K0.5Na0.5)NbO30.052LiSbO3(KNN-LS), and 0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3+%1 mol Cu (KNN-LS-Cu) ceramics were synthesized by solid state method using high purity oxide and carbonate powders in this study. Following perovskite phase verification by X-ray diffraction (XRD) method, cold isostatic pressing was used to obtain disc shaped samples. Samples sintered at the range of 1040-1140°C depending on the composition were then sputter coated with gold (Au) and microstructural analyses were made in a scanning electron microscope (SEM). After the density measurements by Archimedes method, room temperature dielectric properties were measured by LCR-meter in gold electroded samples. For the piezoelectric measurements (d33), samples were poled in a hot (110°C) silicon oil bath by applying DC from 3 to 6 kV. After the poling, change in time was monitored both in dielectric (εr , tanδ) and piezoelectric (d33) properties up to 105 second. The stability of electrical properties is important for the reliability of ceramics for use in electronics. KNN-LS and Cu doped KNN-LS ceramics exhibits higher piezoelectric properties in comparison to BNKLT based ceramics. Even though no improvement in densification is achieved, dielectric constant and piezoelectric coefficient values remarkably increased in KNN-LS ceramics when doped with 1 % Cu. Aging of piezoelectric properties were also much less in KNN based ceramics. © Afyon Kocatepe Üniversitesi1. Giriş

Keywords

-

Kurşunsuz Piozeelektrik Seramiklerde Elektriksel Yaşlanma

Abstract

Bu çalışmada perovskit kristal yapılı kurşunsuz piezoelektrik Bi0.5(Na0.75K0.20Li0.05)0.5TiO3 (BNKLT), 0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3(KNN-LS) ve %1 mol Cu katkılı KNN-LS-Cu (0.948(K0.5Na0.5)NbO30.052LiSbO3+%1 mol Cu) seramiklerin yüksek saflıktaki oksit ve karbonat bileşiminde tozlardan katı hal yöntemiyle üretimi gerçekleştirilmiştir. Faz yapısı X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemiyle kontrol edilen perovskit yapılı tozlardan soğuk izostatik presleme (CIP) ile disk şekilli numuneler elde edilmiştir. Bileşime göre 1040-1140°C aralığında sinterlenen numunelerin yüzeyi altın (Au) kaplanarak taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi yapılmıştır. Arşimed testi ile yoğunlukları ölçülen numunelerde oda sıcaklığında dielektrik özellik ölçümleri LCR-metre ile yapılmıştır. Sıcak silikon yağ banyosunda 110°C’ye ısıtılan numuneler 3-6 kV DC gerilim etkisinde kutulama işleminden geçtikten sonra piezoelektrik yük sabiti (d33) değerleri ölçülmüştür. Kutuplama sonrası piezoelektrik ve dielektrik özelliklerin kararlılığını belirlemek için 1-105 s aralığında periyodik εr , tanδ ve d33 ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler incelenen malzemelerin yaşlanma davranışlarını ortaya koyması ve elektronik cihazlarda kullanımı bakımından önemlidir. KNN-LS ve Cu katkılı KNN-LS seramiklerde BNKLT esaslı seramiklere kıyasla daha üstün piezoelektrik özellikler elde edilmiştir. Yoğunluk değerlerinde bir artış sağlanmamış olmasına rağmen, %1 Cu katkılı KNN-LS seramiklerde dielektrik ve piezoelektrik sabiti değerlerinde önemli artışlar görülmüştür. Aynı zamanda yaşlanmanın da KNN esaslı seramiklerde çok daha düşük olduğu belirlenmiştir.

Keywords

Kurşunsuz Piezoelektrik seramikler, Elektriksel Yaşlanma, Dielektrik özellikler

References

• Aksel, E. and Jones, J.L., 2010.Advances in Lead-Free Piezoelectric Materials for Sensors and Actuators. Sensors,10, 1935-1954.
• Andersen, B., 1996. Properties and Performance of Multilayer Actuators for Dynamic Applications. Proceedings of 5th International Conference on New Actuators in June 26-28, 1996, Bremen, Germany Editor: Hubert Borgman, Published by AXON Technologie and Consult GmbH, n.24, 177.
• Guo, Y.P., Kakimoto, K., and Ohsato, H., 2004. Phase transitional behavior and piezoelectric properties of (Na0.5K Letters, 85, 4121-4123.
• Eichel, R-A., Erünal, E., Drahus, M.D., Smyth, D.M., van Tol, J., Acker, J., Kungl H., and Hoffmann, M.J., 2009. Local variations in defect polarization and covalent bonding in ferroelectric Cu2+-doped PZT and KNN functional ceramics at the morphotropic phase boundary. Physical Chemistry Chemical Physics, 11(39), 8698–8705.
• Hollenstein, E., Davis, M., Damjanovic, D., and Setter, N., 2005. Piezoelectric properties of Li- and Ta-modified (K0.5Na0.5)NbO3 ceramics. Applied Physics Letters, 87, 182905.
• Jaffe, B., Cook W.R., Jaffe, H., 1971. Piezoelectric Ceramics. Academic Press, New York
• Kholkin, A.L., Taylor, D.V., and Setter, N., 1998. Poling effect on the piezoelectric properties of lead zirconate titanate thin films. Proceedings of the Eleventh IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, ISAF 98., 69-72.
• Li, J.F., Wang, K., Zhang, B.P., and Zhang, L.M., 2006. Ferroelectric and piezoelectric properties of fine- grained Na0.5K0.5NbO3 lead-free piezoelectric ceramics prepared by spark plasma sintering. Journal of American Ceramic Society, 89, 706-709.
• Li, E.,Kakemoto, H., Wada, S., and Tsurumi, T., 2007. Influence of CuO on the structure and piezoelectric properties of the alkaline niobate-based lead-free ceramics. Journal of American Ceramic Society, 90(6), 1787–1791.
• Lin, D.M., Xiao, D.Q., Zhu, J.G., and Yu, P. 2006. Piezoelectric and ferroelectric properties of [Bi0.5(Na1-x-yKxLiy)0.5]TiO3 lead-free piezoelectric ceramics. Applied Physics Letters, 88, 062901.
• Lin, D., Kwok, K. W., and Chan, H. L. W., 2008. Piezoelectric and ferroelectric properties of Cu- doped K0.5Na0.5NbO3 lead-free ceramics. Journal of Physics D Applied Physics, 41(4), 045401.
• Saito, Y., and Takao, H., 2006. High Performance Lead- free Piezoelectric Ceramics in the (K,Na)NbO3- LiTaO3 Solid Solution System. Ferroelectrics, 338(1) 17-32.
• Tressler, J. F., Alkoy S., and Newnham R. E., 1998. Piezoelectric sensors and sensor materials. Journal of Electroceramics, 2(4), 257-272.
• Uchino, K., 2009. Ferroelectric Devices. 2nd edn., CRC Press, New York.
• Xiao, D.Q., Lin, D.M., Zhu, J.G., and Yu, P., 2008. Studies on new systems of BNT-based lead-free piezoelectric ceramics. Journal of Electroceramics, 2008, 21, 34- 38.
• Zang, G.Z., Wang, J.F., Chen, H C., Su, W.B., Wang, C.M., Qi, P., Ming, B.Q., Du, J., and Zheng, L.M., 2006. Perovskite (Na0.5K0.5)1-x(LiSb)xNb1-xO3 lead-free piezoceramics. Applied Physics Letters, 88, 212908.