La adición de MnO2 tiene un impacto significativo en la preparación deEfecto de la temperatura de comportamiento de películas gruesas tetragonales (Bi,Na)TiO3 -BaTiO3 sobre sustratos cerámicos de MgO

Presentación

La preocupación por el medio ambiente ha llevado al desarrollo de materiales piezoeléctricos sin plomo con propiedades comparables a las de los materiales piezoeléctricos basados en Pb (PZT y materiales afines). Los materiales basados en Pb ya se utilizan en muchas aplicaciones, como actuadores y sensores. Las posibles alternativas a los materiales basados en Pb son (Bi,Na)TiO3, 4-11) (K,Na)NbO3, 12-15) y BaTiO3 16-18) y sus soluciones sólidas. De ellos, el (1-x)(Bi,Na)TiO3-xBaTiO3 (BNT-100xBT) y los materiales relacionados se han investigado intensamente por sus excelentes propiedades eléctricas. Las cerámicas BNT-100xBT en la región MPB (0,06 ⩽ x ⩽ 0,08), aunque la Td en la región MPB es relativamente baja (110 °C-140 °C). Aunque las Td para x < 0,05 (R3c romboédrico, ∼150 °C) y 0,09 < x (P4mm tetragonal, ∼160 °C) son superiores a las Td en la región MBP, las Td en la práctica siguen siendo muy bajas. Para superar este problema en las cerámicas basadas en BNT, se ha informado de que la distorsión de la red debida al temple aumenta la Td.

Los dispositivos electrónicos se fabrican mediante diversas técnicas de preparación de películas, como el revestimiento por rotación y la pulverización catódica. De todas ellas, la serigrafía suele elegirse para la fabricación de películas gruesas, ya que es fácil de modelar y rentable para la producción de grandes volúmenes. Por lo tanto, hemos utilizado la serigrafía para preparar películas gruesas de BNT-100xBT sin plomo (x = 0,03, 0,05, 0,07, 0,09 y 0,17). En este estudio, observamos que las tensiones residuales de compresión daban lugar a una Td más alta en las películas gruesas de BNT-100xBT que en las películas gruesas sobre sustratos de MgO o sobre sustratos de cerámica a granel o YSZ o Al2O3. La composición de las películas gruesas de BNT-100xBT era cercana a la de MPB (0,05 ⩽ x ⩽ 0,07) presenta una gran Pr de unos 16 μC cm-2 a temperatura ambiente, mientras que el aumento de la Td está limitado por el hecho de que la expansión térmica del BNT-100xBT (0,05 ⩽ x ⩽ 0,07) es cercana a la del sustrato de MgO. Con una composición de x = 0,17, el aumento de Td (>100 °C) es mayor que para las películas más gruesas cercanas a la composición MPB (30 °C-70 °C) debido a la gran diferencia en su expansión térmica. Sin embargo, la Pr de las películas gruesas de BNT-17BT a temperatura ambiente es relativamente baja, de 10 μC cm-2. Por lo tanto, es necesario mejorar las propiedades eléctricas de la película gruesa a alta Td a temperatura ambiente. La adición de Mn mejora las propiedades eléctricas de BNT-100xBT y sus materiales relacionados. Sin embargo, no se ha demostrado el efecto de la adición de Mn a las películas gruesas de BNT-100xBT. Además, aún se desconoce el aumento de la Td de las películas gruesas de BNT-100xBT causado por las tensiones residuales de compresión alrededor de x = 0,17 y 0,17 < x.

En este estudio también se investigó el efecto de la adición de MnO2 a películas gruesas de BNT-100xBT desde temperatura ambiente hasta alta temperatura y la dependencia de la temperatura de las películas gruesas de BNT-100xBT (0,14 ⩽ x ⩽ 0,40) para desarrollar películas gruesas de BNT-100xBT sin plomo con buenas propiedades eléctricas.

 

Aplicaciones

En este trabajo se investigó la dependencia de la temperatura de películas gruesas de (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3 (BNT-100xBT, 0.14 ⩽ x ⩽ 0.40) con un aditivo de MnO2. La adición de 0,2 wt% MnO2 a las películas gruesas aumentó la polarizabilidad residual (Pr) y mejoró su estabilidad térmica, con valores de Pr para las películas gruesas comparables a los de las películas gruesas con una composición de frontera de fase modificada (MPB) y temperaturas de despolarización (Tds) más altas que para las cerámicas a granel, observándose la Td más alta en las películas gruesas de BNT-20BT con MnO2 de aproximadamente 300 °C. Para comprender la variación de Td con la composición x Td con la composición x, se examinó la expansión térmica de BNT-100xBT. 2021 Sociedad Japonesa de Física Aplicada

La imagen 12 muestra la fase cristalina de la muestra caracterizada por difracción de rayos X (XRD) utilizando radiación Cu-Kα (Rigaku Corporation Smart Lab). Las curvas de expansión térmica de 60 °C a 1000 °C durante el calentamiento de la cerámica a granel se midieron mediante análisis termomecánico (TMA; SII EXSTAR6000). La dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica y tanδ se midió durante el calentamiento a 100 kHz utilizando un analizador de impedancia. La histéresis P-E se midió aplicando una forma de onda triangular bipolar a 100 Hz utilizando un sistema de ensayo ferroeléctrico (TOYO Corporation FCE10-S). La línea de histéresis P-E es la media de los ciclos 2, 3 y 4 de las mediciones cíclicas.

 

Fuente

Autor: Yuichi Sakai1 y Tomoaki Karaki

Institución: Toyama Industrial Technology Research and Development Center, Toyama 9300866, Japón 2 Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Facultad de Ingeniería, Universidad Prefectural de Toyama, Imizu, Toyama 9390398, Japón

Publicado: Recibido el 1 de junio de 2021; revisado el 4 de julio de 2021; aceptado el 7 de julio de 2021; publicado en línea el 22 de julio de 2021.

Palabras clave: polvo, materiales piezoeléctricos sin plomo, alta temperatura, cerámica

Revista: Japanese Journal of Applied Physics

Sitio web fuente del artículo.Efecto de la adición de MnO2 sobre las propiedades en función de la temperatura de películas gruesas tetragonales (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 preparadas sobre sustratos cerámicos de MgO. sustratos

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