سرامیک های فروالکتریک شفاف کاربردهای مهمی در زمینه ی تولید وسایل اپتوالکترونیکی دارند. از آنها همچنین در تولید آرایه های گیت نور خطی، صفحات نمایش بخش بخشی شده، مدولاتورهای IR نزدیک و ... استفاده می شود. ویژگی های خاص مربوط به سرامیک های PLZT در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد.
ریزساختار مربوط به سرامیک های فروالکتریک شفاف
روش هایی مانند مخلوط سازی مواد اولیه، زینترینگ در اتمسفر اکسیژن و زینترینگ فاز مایع می تواند برای آماده سازی سرامیک های شفاف، مورد استفاده قرار گیرد. اگر چه مکانیزم مربوط به عملکرد سرامیک های PLZT شفاف به طور کامل شناخته شده نیست، این مسئله فهمیده شده است که احتمالا این مواد به دلیل وجود La در ساختارشان، دارای سلول واحد انحراف داری هستند که در آنها آنیزوتروپی شبکه کاهش یافته و میزان هموژن بودن و سخت شدن دانه ها، بهبود می یابد. این مسئله در واقع منجر به عدم وجود حفره در ساختار این مواد شده است.
در حقیقت این مشاهده می شود که حرکت دمین ها در سرامیک های شفاف از جنس PZLT نشاندهنده ی وجود نواحی مرزدانه ای است که دارای انرژی کرنشی بالا هستند و این دمین ها می توانند سریعاً جهت گیری کنند و تحت میدان به صورت پیکربندی های دمینی با جهت گیری بالا، تشکیل شوند. از مورفولوژی موجود، این فهمیده می شود که بار فضایی موجود در مرزدانه ها موجب می شود تا نواحی مرزدانه ای وجود داشته باشد که تنها فاصله ای چند نانومتری از مرزدانه دارند. پدیده ی گفته شده یعنی وجود نواحی مرزدانه ای روشن، ساختار هسته- پوسته، مسطح بودن و یا اعوجاج داشتن نواحی نزدیک به مرزدانه ها و خمش دیواره ی دمین ها، تماماً مرتبط با نواحی مرزدانه ای کرنش دار و یا اعوجاج دار است که تنها عرضی 500 تا 1000 نانومتر دارند. هموژن بودن بالای سرامیک های PLZT تولیدی از روش پرس گرم، برای تولید و انتقال برخی از فرایندهای کاربردی، مهم می باشند. جزئیات این مسئله در ادامه بحث خواهد شد.
سرامیک های کاربردی دارای عملکردهای مختلفی هستند. ریزساختار این سرامیک ها شامل دانه ها و مرزدانه های تصادفی است. دانه های موجود در ساختار تک کریستال ها با اتم هایی که به صورت منظم حول محور جهت گیری، قرارگرفته اند، در این مواد مشهود است. این در حالی است که مرزدانه ها در خارج از ساختار وجود دارد و حاوی ناخالصی ها و یا فازهای ثانویه هستند (شکل 1).
برای آگاهی یافتن از این مکانیزم، خواص ماده به صورت نرمال در مقیاس ماکرو، ارزیابی می شود. به هر حالف این بهتر است که عملکرد آنها و یا خواص آنها در سطح میکرونی نیز مورد ارزیابی قرار گیرد، مثلا زیر میکروسکوپ. میکروسکوپ ها می توانند به صورت مستقیم برای مشاهده فرایندهای عملکردی در سرامیک ها، استفاده شوند. برای سرامیک های فروالکتریک، فرایندهای اساسی می تواند به صورت متمایز نشاندهنده ی ویژگی های دمین ها باشند. به دلیل خواص پیشرفته مانند فازهای منفرد، عدم وجود حفره، شفافیت بالا، دمای استحاله ی فازی نزدیک به دمای اتاق، حساسیت بالا به میدان اعمالی، سرامیک های PLZT شفاف که به روش پرس گرم، تولید می شوند، برای مشاهده و توسعه ی این فرایندها، مناسب می باشند. از آنجایی که بزرگنمایی میکروسکوپ های نوری محدود می باشد، سرامیک های معمولی در خارج از گستره ی رزولیشن مربوط به میکروسکوپ های نوری می باشد. بنابراین، سرامیک های درشت دانه با اندازه ی دانه ی 15 تا 40 میکرون، برای آماده سازی آنها مورد نیاز است. علاوه بر این، برای جلوگیری از تداخل نوری، یک نمونه ی نازک با ضخامت معادل اندازه ی دانه مورد نیاز می باشد. بنابراین، تفرق و انعکاس دانه های چندگانه تحت نور پلاریزه می تواند حذف شود به نحوی که تغییرات نوری تحت میدان الکتریکی اعمالی، بتواند به سهولت در آزمایش مشاهده شود. علاوه بر این، ناحیه ی مرزدانه ای به عنوان منبع توان در طی فرایندهای کاربردی تلقی می شود که علت این مسئله، انرژی کرنشی بالا می باشد.
روش های تجربی و دو فاز از سرامیک های PLZT
اکسید سرب اضافی در سرامیک های PLZT استفاده می شوند تا بدین صورت زینترینگ فاز مایع رخ دهد. روش مخلوط سازی اکسیدها و پرس گرم طولانی مدت نیز برای بدست آوردن سرامیک های PLZT شفاف با دانه های درشت استفاده می شود. بعد از پرس گرم، سرب اضافی تبخیر می شود. نمونه ی زینتر شده برش و پولیش داده می شود و به بریده های با ضخامت 10 میکرون، تبدیل می شود. سپس این بخش ها بر روی لام های مخصوص بررسی، قرار داده می شوند. با استفاده از میکروسکوپ پلاریزه و میدان الکتریکی قابل تنظیم، تغییر نوری می تواند در برش ماده تعیین شود (شکل 2).
اچ گرمایی در دمای 1150 درجه ی سانتیگراد و زمان 10 دقیقه در اتمسفر سرب و یا اچ شیمیایی در هیدروکلریک اسید با چند قطره اسید هیدروفلئوریک می تواند برخی اوقات برای نشان دادن بهتر مرزدانه ها، استفاده شود (شکل 3).
سرامیک های PLZT می توانند دو فاز داشته باشند یعنی فاز آلفا و فاز بتا. وقتی دمای محیط بالاتر از دمای استحاله ی فازی (T_i) است، استحاله ی فازی معکوس اتفاق می افتد یعنی
وقتی دما بیشتر از T_i است،
وقتی دما زیر دمای استحاله ی فازی باشد، استحاله ی فازی معکوس رخ می دهد، یعنی:
وقتی دما کمتر از T_i است،
سرامیک های PLZT در اصل در فاز آلفا تشکیل می شوند و میزان شکست مضاعف نزدیک به صفر و ایزوتروپی نوری از مشخصه های آنهاست. با استفاده از صفحات ژیپسی، این ماده ابتدا صورتی به نظر می رسد و پس از اعمال میدان الکتریکی، فاز آلفا به صورت الکتریکی به فاز بتا تبدیل می شود. در این حالت، سرامیک در حالت روشن قرار دارد و شکاف باریکی به سمت روشنایی در آن ایجاد می شود (شکل 4).
خواص سوئیچ دمین ها در سرامیک های PLZT
با استفاده از صفحات گچی، رنگ به صورت آبی، سبز یا زرد در می آید. نور ساتع شده از میان باریکه ی ماده با توجه به تغییر در میان الکتریکی، تغییر می کند (شکل5).
وقتی میدان الکتریکی اعمال می شود، دمین های نواری شکل منفرد ادغام می شوند و بیشتر دیواره های دمین عمود بر میدان جهت گیری می کنند (شکل 6).
این دمین های نواری شکل در واقع از همترازی مقادیر قابل توجهی دمین 90 درجه ایجاد شده اند. این مسئله در شکل 6 مشاهده می شود که جهت گیری دمین ها و پیوستگی آنها به طور کامل با ناحیه ی باریک تطابق دارد. زینترینگ فاز مایع تحت پرس گرم می تواند موجب تسهیل بازآرایی دانه ها شود و حل شدن عناصر Zr، Ti و La به میزان معین، که در حقیقت موجب کاهش پایداری شبکه ای آنها می شود، موجب افزایش نرخ انتقال جرم و واکنش پذیری در آنها می شود. در نهایت این مسئله موجب افزایش استحکام و هموژن بودن ساختار می شود. به هر حال، دانه ها در سرامیک های زینتر شده به صورت نرمال، به طور مناسب به هم متصل نمی شوند و بنابراین، خواص پیوستگی و انتقال در میان دانه های موجود در سرامیک های PLZT شفاف به خوبی ایجاد می شود (شکل 7).
شکل 9 نشاندهنده ی ساختار دانه ها، مرزدانه ها و دمین ها می باشد. مشابه شکل 8، دمین های نواری شکل 9 ممکن است در چندین دانه موجود باشند و این مسئله نشاندهنده ی بی نظمی کوچک در مرزدانه ها می باشد. میکروسکوپ اکوستیکی الکترونی می تواند برای مشاهده ی دمین های الکتریکی در مرزدانه ها، استفاده شود. وقتی میدان الکتریکی اعمال می شود، دمین ها فوراً ادغام می شوند و به صورت منظم، همتراز می شوند. این فرایند در عرض میکروثانیه رخ می دهد. همانگونه که در شکل 14 مشاهده می شود، دمین های تیغه ای شکل می تواند به سهولت از مرزدانه های موجود در سرامیک های PLZT پرس گرم شده، عبور کنند اما این مسئله در سرامیک های زینتر شده به روش معمولی، رخ نمی دهد. همانگونه که در شکل 10 مشاهده می شود، پس از اچ شیمیایی و ایجاد ساختار فیلمی مشخص، مشاهدات TEM نشان می دهد که برخی از دمین ها می توانند از مرزدانه ها عبور کنند اما برخی دیگر، نمی توانند. این مسئله در حقیقت به دلیل تفاوت در زاویه ی میان دو دانه، ایجاد می شود. در واقع در برخی از مرزدانه ها، پیوستگی خوبی در بین دو دانه ایجاد شده است.
عرض دمین های نواری شکل و تعداد دیوره ی دمین ها به میزان تنش و کرنش وابسته می باشد. در واقع تنش بالا موجب می شود تا دیواره های دمین بیشتری ایجاد شود در حالی که تنش پایین موجب می شود دیواره ی دمین کمتری وجود داشته باشد و عرض دمین های نواری بزرگتر شود (شکل 11).
اگر الکترودهای برخورد کننده همانگونه که در شکل 3 مشاهده می شود، به دو قطبی های مربوط به 4 الکترود نزدیک باشند، سوئیچ 90 درجه منجر به ایجاد پاسخ از طرف میدان می شود (جدول 1).
همانگونه که در شکل 12 مشاهده می شود، بدون استفاده از میدان، سرامیک های PLZT دارای فاز آلفا با ایزوتروپی نوری هستند و تحت نور پلاریزه، دارای حالت خاموش هستند. با استفاده از صفحه ی گچی، این ماده صورتی رنگ به نظر می رسد. بعد از اعمال میدان الکتریکی، فاز آلفا به صورت الکتریکی به فاز بتا تبدیل می شود یعنی فاز فروالکتریک این ماده. بنابراین، دمین هایی با دیواره های عمود بر میدان الکتریکی اعمالی، ایجاد می شود. در این حالت، پلاریزاسیون داخل دمین ها در اصل در طول میدان اعمال ایجاد می شوند (مشابه شکل 12). همانگونه که مشاهده می شود، سوئیچ دیواره ی دمین تحت سوئیچ 90 درجه، ایجاد می شود. شکل 12 نشاندهنده ی یک ناحیه می باشد.
شکل 13 مشابه شکل 12 است و در واقع نشاندهنده ی حالت شبه روشن است. شکل 14 نشاندهنده ی جوانه زنی و رشد دمین های الکتریکی از ناحیه ی مرزدانه ای می باشد. وقتی شدت میدان الکتریکی E از 670V/mm به 1000V/mm افزایش یابد، دمین ها در کل دانه ها ایجاد می شوند و برخی دمین های تیغه ای شکل نیز از مرزدانه ها عبور می کنند (شکل 14c). با انرژی کرنشی بالا، نواحی مرزدانه ای موجب تسهیل جوانه زنی دمین می شود که این مسئله موجب توسعه یافتن دمین ها به کل دانه ها می شود. وقتی دما زیر دمای استحاله ی فازی است، فاز فروالکتریکی و دمین های آن می توانند بی حرکت شده و باقی بمانند. بعد از اچ شیمیایی و تکثیر فیلم، مورفولوژی دمین می تواند بوسیله ی TEM مشاهده شود (شکل 15).
همانگونه که در شکل 15 مشاهده می شود، ناحیه ی مسطح نزدیک لبه ی سمت راست مرزدانه، در واقع با متراکم شدن بار فضایی در طول مرزدانه، ارتباط دارد. به دلیل تفاوت در فاصله ی الکتریکی میان مرزدانه ها و حالت بالک، بار در مرزدانه ها تجمع می یابد. این مسئله زمانی رخ می دهد که مهاجرت در طول جهت اعمال میدان باشد. تجمع بار بر روی اچ شیمیایی و بنابراین مورفولوژی مختلف مؤثر است. این مسئله به صورت واضح در مهاجرت بار در داخل سرامیک ها، نشان داده شده است.
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
