مواد فروالکتریک رلاکسور (Relaxor ferroelectric materials)

نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
به دلیل خواص ε و ثابت الکترواستاتیک بالا به همراه قابلیت زینترینگ در دماهای بالا، مواد فروالکتریک رلاکسور مواد دی الکتریک و فعال کننده ی خوبی را تولید می کنند. یک تعداد از مواد فروالکتریک رلاکسور که حاوی سرب هستند، نیز توسعه یافته اند مثلا PZN، PNN، PMN، PPN، PFW، PMW و PST. این مواد کاربردهای مختلفی دارند و از وسایل چند لایه تولید می شوند. به هر حال، جایگزین کردن مواد عاری از سرب، یکی از دغدغه های محیط زیستی محسوب می شود.
در نوعی از این مواد که در واقع به ABO_3 معروف هستند، میزان نظم موجود در مکان های B می تواند بر روی خواص ماده مؤثر است. بسیاری از دمین های کوچک نیز در مکان های غنی از نیوبیوم، مشاهده شده است. این دمین های کوچک که اندازه ای 10 تا 20 نانومتر دارند، به صورت دینامیک تحت سوئیچینگ فرکانس بالا قرار می گیرند و می توانند عملکرد مناسبی را در دماهای زیر صفر درجه ی سانتیگراد، داشته باشند. فاز دوم در مرزدانه ها نیز اثر قابل توجهی بر روی ε دارند. سرامیک های پیزوالکتریک در واقع مواد مهمی برای تبدیل انرژی الکترومکانیکی هستند و به طور گسترده ای در سونارها مورد استفاده قرار می گیرند. سونارهای سیستم های مهمی در زمینه ی کاربردهای نظامی محسوب می شود.

مواد دی الکتریک میکروویو

اخیراً توسعه های سریع در زمینه ی ارتباطات ماهواره ای، تلفن های همراه نسل جدید، پیجرها، تلویزیون های با رزولیشن بالا، تلفن های تصویری و سایر ارتباطات میکروویو به واسطه ی توسعه ی مواد دی الکتریک میکروویو، مقدور شده است. رویه ی توسعه موجب افزایش ε به منظور کاهش در اندازه ی وسیله را به همراه داشته است. در حقیقت این کار با افزایش Q انجام می شود و بدین صورت اتلاف های حاصله به حداقل می رسد. فرایند آماده سازی بر روی Q مؤثر می باشد. هر چه Q بزرگتر باشد، نظم مکان های B در ABO_3 نیز افزایش می یابد. TCf برابر با صفر می تواند از طریق تنظیم عناصر موجود در مکان B، ایجاد شود.
W S Kim و همکارانش در سال 2000 نشان دادند که سرامیک های میکروویو با TCf ( ضریب دمایی مربوط به فرکانس) صفر می تواند با تولید محلول های جامد از جنس سرامیک و CaTiO_3 تولید شوند. در واقع TCf مربوط به CaTiO_3 مثبت است، در حالی که TCf مربوط Li_0.5 Nb_0.5 TiO_3 منفی است و هر دو این مواد منجر به تولید ثابت دی الکتریک بزرگ می شوند. برای مثال، روش مخلوط سازی اکسید ها برای آماده سازی موادی با فرمول (1-x) استفاده می شود که در آنها ε برابر با 98 است و و در فرکانس 5 GHz می باشد. Dongxiang Zhou و همکارانش دمای زینترینگ را به میزان 50 درجه ی سانیتگراد کاهش داده است و با روش مخلوط سازی مایع، توانست سرامیکی تولید کند که حاصلضرب است.
عیوب کریستالی ممکن است در سرامیک های MgTiO_3 و در طی زینترینگ ایجاد شود به نحوی که مقدار Q آنها تغییر می کند. فاز مرزدانه ای می تواند موجب کاهش در تفرق میکروویو و اتلاف حاصله شود. زینترینگ در اکسیژن به جای هوا می تواند موجب بهبود خواص میکروویو سرامیک ها شود.
A Feteria و همکارانش در سال 2003 سرامیک های را در جریان اکسیژن زینتر کردند و موجب بهبود دانسیته ی بعد از پخت و فاکتور کیفیت در فرکانس بالا شدند.
Jianjiang Bian در سال 1998 مطالعه های را بر روی دی الکتریک های میکروویو تولیدی از BMT (BaMgTaO_3) انجام داد. این به اثبات رسید که خلوص فازی، یکنواختی ریزساختار و دانسیته ی بالا برای حصول فاکتور کیفیت بالا، ضروری است؛ در حالی که مرزدانه ها، عیوب، ناخالصی ها و عدم یکنواختی تماما بر روی اتلاف ها مؤثر می باشد. او موادی با خواص زیر را تولید کرد: ε_r=25.4 و Q×f=150000. در سال های اخیر، پخت همزمان با استفاده از نقره، یکی از الزامات مربوط به تولید وسایل دی الکتریک میکروویو و چند لایه می باشد یعنی دمای زینترینگ نباید بیشتر از 900 درجه ی سانتیگراد باشد. برای مثال، C H Wei در سال 2003 با وارد کردن 20 % وزنی 3 به موجب کاهش در دما از 1300 درجه ی سانتیگراد به 850 تا 900 درجه شد.
علاوه بر این، از آنجایی که نوسانگرهای دی الکتریکی و دی الکتریک های میکروویو ابر رسانای دما بالا (HTSC) نیازمند فاکتور کیفیت بالا و ضریب دمایی پاین برای فرکانس رزونانس هستند، مواد زیر برای این منظور توسعه یافت: ، ، ، . در این مواد، اندازه ی مینیمم و پایداری می تواند حاصل شود. مقدار Q بسیار بالا برای کاربردهای HTSC مورد نیاز می باشد و LaAlO_3 اغلب به دلیل مقدار Q بالا مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع LaAlO_3 مثال کلی از موادی است که Ln می تواند عناصری همچون Dy، Er، Gd، La، Nd، Pr، Sm و یا Y باشد. این فهمیده شده است که برای تولید آنتن های فوق رسانای میکروویو و دما بالا، YAlO_3 مناسب تر از LaAlO_3 است زیرا تطابق شبکه ای آن با زیرلایه بسیار عالی است.
LaAlO_3 می تواند در دمای 1400 درجه ی سانتیگراد سنتز شده و در دمای 1650 درجه ی سانتیگراد، زینتر شود. Guohua Huang دمای سنتز این ماده را به 800 درجه ی سانتیگراد کاهش داد و توانست پودر خالص LaAlO_3 را با خلوص بالا و استفاده از روش های سنتز شیمیایی تولید کند.

سرامیک های پیزوالکتریک

سرامیک های پیزوالکتریک در واقع مواد مهمی برای تبدیل انرژی الکترومکانیکی هستند و به طور گسترده ای در سونارها مورد استفاده قرار می گیرند. سونارهای سیستم های مهمی در زمینه ی کاربردهای نظامی محسوب می شود. علاوه بر این، این مواد در زمینه ی پزشکی، تلویزیون، ارتباطات، دریانوردی و اتوماسیون نیز کاربردهای خاصیی دارد. وسایل هوشمند با فعال سازهای پیزوالکتریکی و موتورهای سوپرسونیک نیز اخیراً توسعه یافته اند. شرکت Business Communication آمریکا، در سال 2000 گزارشی 174 صفحه ای در مورد توسعه و ارزیابی بازار سرامیک های پیزوالکتریک، انتشار داده است که از اهمیت این ماده در بسیاری از کاربردها، خبر می دهد. در این گزارش، 44 کاربرد جدید نیز لیست شده است که شامل روبات های میکرونی SKIS ، فعال سازهای مورد استفاده در قطع و وصل نور، فعال سازهای داده، سنسورهای زلزله، باله های هوشمند هواپیما، دتکتورهای لوله و الیاف پیزوالکتریک می باشند. علاوه بر این، کاربردهای این مواد نیز موجب بروز انقلابی در زمینه ی ارتباطات وایرلس و سیمی شده است.
علاوه بر این، برای توسعه ی مناسب ارتباطات تلفن همراه، وسایل پیزوالکتریک مونولیتیکی چند لایه نیز اخیراً و به منظور استفاده به عنوان فیلتر، توسعه یافته است. فرکانس این ادوات در برخی موارد تا چند هزار میلیارد نیز می رسد. این ادوات در فعال سازهای با ولتاژ پایین، فعال سازهای نوسانی با سرعت بالا و حساسیت بالا، سنسورهای نوسانی و مبدل های ستاپی، استفاده می شوند.

ریزساختار مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک

ریزساختار مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک شامل بسیاری از ساختارهای دمینی است که در حقیقت به صورت آنی و تصادفی، پلاریزه می شوند. بعد از اعمال میدان E بزرگتر از میدان کوئرسیو (E_c)، دمین ها دوباره بر طبق میدان جهت گیری می کنند و سرامیک ها، خاصیت پیزوالکتریسیته خود را نشان می دهند. اگر اندازه ی دانه بسیار کوچک باشد، دمین ها معمولاً به سختی ایجاد می شوند و بنابراین، خاصیت پیزوالکتریسیته در آنها نمود ندارد. معمولاً تخلخل های باز مناسب نیستند زیرا آنها موجب تخریب خاصیت دی الکتریک می شوند، مخصوصاً در رطوبت های بالا. در صورتی که رشد دانه ی غیر نرمال نیز در طی زینترینگ سرامیک رخ داده باشد، سرامیک در زمان قطبی شدن تحت میدان، مستعد شکستن می شود. در سرامیک های BaTiO_3، میزان Ti اضافی منجر به درشت تر شدن دانه ها می شود. جهت پلاریزاسیون آنی (P_s) در سرامیک های پیزوالکتریک می تواند از جهت گیری دیواره ی دمین های 90 درجه ، کم شود. موادی با جهت گیری دانه ای خاص، می توانند با استفاده از فرج گرم تولید شوند به نحوی که خاصیت پیزوالکتریک قابل توجهی در جهتی خاص ایجاد شود. در کاربردهای توان بالا، تولید حرارت پایین تحت نوسانات قوی برای کاه تخریب گرمایی وسایل، ضروری است. C. Sakaki و همکارانش در سال 2001 کشف کردند که سرامیک های دانه ریز برای کاربردهای توان بالا مناسب ترند زیرا دانه های ریز میزان Q بالاتری را ایجاد می کنند به نحوی که افزایش دما کاهش می یابد. برای مثال، دربالاترین سطوح نوسان برابر با 0.3 متر بر ثانیه، افزایش دمای سرامیک های ریزدانه (با اندازه ی دانه ی 0.9 میکرون)، 40 % کمتر از سرامیک های درشت دانه (3 میکرونی) است یعنی دمای وسیله می تواند به میزان 70 تا 40 درجه ی سانتیگراد، کاهش یابد. دانه های ریزتر موجب می شوند تا مرزدانه ی بیشتر وجود دارد باشد و بدین صورت افزایش دما کمتر می شود. به هر حال، دانه های ریز همچنین موجب افت d_33 و P_s نیز می شود.

خواص مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک

سرامیک های PbTiO_3 با خلوص بالا که در حقیقت دارای T_c بالا و ε پایین هستند، اغلب در تولید سنسورها و فعال سازهای فروسرخ با فرکانس بالا و دمای بالا استفاده می شوند. به هر حال، استحاله ی فازی از حالت مکعبی به حالت تتراگونال در طی سرد کردن، منجر به تولید یک انبساط و انقباض بزرگ می شود که در حقیقت موجب بروز تنش های قابل توجهی و در نهایت شکسته شدن ماده می شود. با توجه به کارهای Tartaj در سال 2001، از آنجایی که ترک ها معمولاً در طول مرزدانه ها ایجاد می شود، اندازه ی دانه ی ریزتر به معنای است که مرزدانه های بیشتری وجود دارد و در صورت وجود اتصال بهتر در مرزدان ها، شکست در سرامیک های ریزدانه، کاهش می یابد. سایر محققین نیز توانستند سرامیک های PbTiO_3 را با روش زینترینگ پلاسمای جرقه ای تولید کنند اما Tartaj توانست سرامیک های PbTiO_3 را با روش زینترینگ معمولی در دمای 1100 درجه ی سانتیگراد تولید کند. این کار با استفاده از افزودن 10 % دانه های کریستالی نانومتری و استفاده از روش سل- ژل مقدور شد.
در سال های اخیر، تحقیق بر روی کاهش دمای زینترینگ با استفاده از کمک زینترها در تولید سرامیک های پیزوالکتریک، متداول شده است. Wang در سال 2001 توانست سرامیک های PbZr_0.53 Ti_0.47 O_3 را با زینترینگ آنها در دمای 800 درجه ی سانتیگراد و زمان 2 ساعت، تولید کند. این کار با استفاده از افزودن مخلوطی از LiBiO_2 و CuO به این مواد انجام شده است یعنی با این کار، دمای زینترینگ به میزان 350 درجه ی سانتیگراد، کاهش یافته است اما ε و K_p به ترتیب برابر با 1000 تا 1300 و 0.55 تا 0.60 حاصل شده است. Hayash در سال 2001، توانست سرامیک های PZT را با K_p برابر با 0.65 تولید کند که در دمای 750 درجه ی سانتیگراد زینتر شده اند. این کار با افزودن 1 % وزنی LiBiO_2 به این سیستم ها، انجام شده است. استفاده از زینترینگ در اتمسفر اکسیژن و از طریق روش پرس گرم میکروویو توانست سرامیک های PZT با خواص بهتر نسبت به سرامیک های PZT تولید شده از روش زینترینگ معمولی، تولید شود (جدول 1). جدول 1 نشاندهنده ی اثر تعیین کننده ی تخلخل ها بر روی خواص ماده می باشد. اخیرا الیاف پیزوالکتریکی توسعه یافته اند که به عنوان مبدل های فرکانس بالا برای کاربردهای پزشکی، استفاده می شوند.
مواد PbZnNbTiO_3 نیز کشف شده اند که دارای خواص پیزوالکتریکی خوبی می باشند مثلا d_33 ای برابر با 2500 Pc/N برای آنها گزارش شده است. Ogawa و همکارانش (2002) اثبات کردند که دمین های منفرد می توانند تحت شریط قطبی شدن حاصل شوند به نحوی که پیزوالکتریسیته ی بالا حاصل گردد (جدول 2). در میان مواد فروالکتریک و پیزوالکتریک ، یک نوع از مواد فروالکتریک شفاف از جنس PLZT تولید شده است که می توان آنها را با روش هایی مانند پراکنده سازی مواد اولیه، زینترینگ در اکسیژن و زینترینگ فاز مایع، تولید کرد. استحاله ی فازی می تواند تحت اعمال میدان نیز القا شود و ماده ای با خاصیت پیزوالکتریک، تولید شود. محور نوری مربوط به مواد بدست آمده، می تواند در طول جهت باردار شدن، تغییر کند و بنابراین ، این ماده می تواند به عنوان شاتر الکترو- اپتیکی در وسایل حافظه استفاده شود. در این کاربرد، ماده به صورت فیلم، استفاده می شود. سرامیک های PLZT مواد پلی کریستال شفافی هستند که نسبت به اعمال میدان حساس می باشند. بنابراین، این مواد برای بررسی دمین ها و مرزدانه ها، مواد مناسبی هستند.
به دلیل دغدغه های محیط زیستی در طی سال های اخیر، تحقیقات بر روی سرامیک های پیزوالکتریک عاری از سرب، بیشتر شده است. این سرامیک ها، عبارتند از: و سیستم های می باشند. به هر حال، خواص آنها به صورت کامل، مشابه با خواص سرامیک های PZT نیست. اخیراً محققین انستیتوی تکنولوژی توکیوی ژاپن به سرامیک های پیزوالکتریک بدون سربی دست یافتند که خواص انها با خواص PZT تطابق دارد. شکل 1، 2 و 3 نشاندهنده ی تصاویری از نوسانگرهای سرامیکی پیزوالکتریک، فیلترها و زنگ اخبار را نشان می دهد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Microstructure, property and processing of functional ceramics/ Qingrui Yin, Binghe Zhu, Huarong Zeng