BaTiO3 esaslı seramiklere çeşitli oksit ilavelerinin elektriksel özellikler üzerine etkisi

Abstract

Tipik bir ABO3 perovskit tipi yapı malzemesi olan BaTiO3, piezoelektrik bileşenlerin en fonksiyonel materyalleri olarak teknolojide karşımıza çıkmaktadır. Baryum titanat (BaTiO3, BT) ve baryum zirkonyum titanat (BaZrxTi1-xO3, BZT) gibi perovskit yapılı metal oksit seramikler, eşsiz ferroelektrik, piroelektrik ve piezoelektrik özelliklerinden yararlanılan çeşitli elektronik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca baryum titanyum zirkonat seramikler çok kararlı yapıları ve yüksek voltajlara karşı yüksek yalıtım özelliklerinden dolayı dinamik rasgele erişimli bellek (DRAM) ve mikro-elektro mekanik sistem (MEMS) uygulamaları için son derece umut verici ve kullanışlı bir malzemedir. Yapılan bu tez çalışmasında (BaZrxTi1-xO3) esaslı dielektriksel seramikler 0 ≤ x ≤ 1.00 bileşim aralıklarında üretilmiştir. Bor oksit (B2O3) katkısı (BaZrxTi1-xO3) seramiklere sinterleme prosesine yardımcı bir oksit ilavesi olarak eklenmiş ve tek fazlı BT ve BZT dielektriksel seramiklerin üretimi klasik katı-katı hal reaksiyonu yoluyla gerçekleştirilmiştir. Üretilen seramiklerin ilave edilen farklı oranlardaki ZrO2 ve yapılan B2O3 ilavesine bağlı olarak mikroyapısal karakterizasyonu, yüzey morfolojisi ve kristal yapılarındaki değişiklikler SEM, FEG-SEM ve XRD analizleri yapılarak araştırılmıştır. Elde edilen (BaZrxTi1-xO3) dielektrik seramiklerin oda sıcaklığındaki X-ışınları analizlerinden tek fazlı perovskit yapıda olduğu tespit edilmiştir. Sitokiyometrik olarak belirlenen kompozisyonlarda karıştırılan seramik tozlarının tane boyut dağılımı BET analizi ile gerçekleştirilmiştir. Başlangıç seramik tozlarının DSC ve TGA analizleri (BaZrxTi1-xO3) seramiklerin reaksiyon mekanizmalarını tanımlayan gerçekçi bir yaklaşım önermek için kullanılmıştır. Üretilen seramik malzemelerin karakteristik özellikleri Raman spektrumları yardımı ile araştırılmıştır. (BaZrxTi1-xO3) seramik malzemelerin frekansa bağlı olarak ölçülen dielektriksel davranışları incelenmiştir. Tayin edilen dielektriksel sabit ve dielektriksel kayıpların belirlenmesi için yapılan tüm ölçümler oda sıcaklığında 1kHz-1Mhz aralığında gerçekleştirilmiştir. (BaZrxTi1-xO3) seramiklerin elektriksel özelliklerinin, sinterleme sıcaklığına, ilave edilen katkı maddelerinin oranına bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. Sonuç olarak yapılan tez çalışmasında elde edilen deneysel sonuçlar literatür ile karşılaştırılmalı olarak tartışılmış ve ileride yapılacak olan benzer çalışmalara yol göstermesi açısından farklı fikirler önerilmiştir.

BaTiO3, as a typical ABO3 perovskite-type structural material, was the major piezoelectric component of functional materials. Metal oxide with perovskite structure such as barium titanate (BaTiO3, BT) and barium zirconate titanate (BaZrxTi1-xO3), BZT) are widely used in various electronic applications that take advantage of their unique ferroelectric, pyroelectric and piezoelectric properties. High permittivity barium zirconate titanate (BZT) is often used for dielectrics in commercial multilayer ceramic capacitors, actuators applications, and is a highly promising material for dynamic random access memory (DRAM) and microelectromechanical system (MEMS) applications due to its very stable, high insulating characteristic against voltage. Especially, the material is promising for environmental friendly application in compared to lead (Pb) based compositions. In this thesis, we have studied structure-property correlation of the various Ba(ZrxTi1-x)O3 has been developed in the composition range 0 ≤ x ≤ 1. Boron oxide (B2O3) was doped as a sintering aid into the (BaZrxTi1-xO3) ceramics and single phase BT and BZT ceramics were produced. (BaZrxTi1-xO3) (BZT) ceramics of the several compositions have been prepared by convention solid state synthesis route. All the BZT compositions were verified to be single-phase perovskite by studying the room temperature XRD behavior of these compositions. The morphology, microstructure and crystal structure were investigated by SEM, and XRD. The BET analyses of the milled ceramic powder was done and thermal analysis of DSC and TGA have been used to propose a realistic approach describing the reaction mechanism of Ba(Ti1-xZrx)O3 ceramics. The local structure of the BZT ceramics has been investigated by Raman spectra. Frequency dependency dielectric behaviors of the (BaZrxTi1-xO3) compositions have been studied. The relative permittivity and the dielectric loss measured at room temperature at 1kHz to 1 Mhz. It has been observed that the electrical properties change depending on the sintering temperature, the density and the ratio of the additives. Finally, future aspects of experimental studies on present experimental result are proposed. To get more information on the studied materials for practical application, further extension of experimental work are also proposed.