Lantaani modifioidun BST:n valmistus ja karakterisointi

Abstract

Tässä työssä tutkittiin lantaani-modifioidun bariumstrontiumtitanaatti (BST) keraamin valmistusta sekä sintrattujen näytteiden rakenteellisia ja dielektrisiä ominaisuuksia.

Lantaani-modifioidun BST-keraamin valmistukseen käytetty jauhe muodostettiin käyttäen kahta eri menetelmää. Ensimmäisessä menetelmässä jauhe valmistettiin sekoittamalla lantaanioksidia kaupalliseen BST-jauheeseen. Toisessa menetelmässä lantaanioksidijauhe lisättiin bariumkarbonaattia, strontiumkarbonaattia ja titaanioksidia sisältävään jauheseokseen jonka esireaktio ennen sintrausta muodosti BST koostumuksen. Molemmissa menetelmissä käytettiin BST-koostumusta Ba0.55Sr0.45TiO₃, jota modifioitiin 0–1 mol. % määrällä lantaanioksidia. Valmistetuista jauheista muodostetut keraaminäytteet sintrattiin 1350–1600 °C lämpötilassa.

Valmistusta varten karbonaatti- ja oksijauheille suoritettiin DSC/TG mittaukset reaktiolämpötilojen selvittämiseksi. Valmiille jauheille suoritettiin dilatometrimittaukset sopivien sintrauslämpötilojen selvittämiseksi. Lisäksi raaka-aineille ja valmiille jauheille määritettiin partikkelikokojakauma, jotta nähtäisi raaka-aineiden yhteensopivuus ja jauheiden alustava partikkelikoko. Esireagoiduille jauheille ja sintratuille näytteille suoritettiin röntgendiffraktio mittaukset kiderakenteen selvittämiseksi.

Dielektriset ominaisuudet mitattiin huoneenlämpötilassa taajuusalueella 0,02–1000 kHz. Mittaustulosten perusteella modifioinnin havaittiin kasvattavan sekä suhteellista permitiivisyyttä, että dielektrisiä häviöitä. Kolossaalisia (>104) suhteellisen permittiivisyyden arvoja havaittiin erityisesti niissä näytteissä jotka valmistettiin raaka-aineiden yhteisen esireagoimisen kautta. 0,25 mol. %:n lantaani-modifioiduissa näytteissä suhteellinen permittiivisyys saavutti matalalla taajuudella yli 200 000:n arvon. 1 mol. %:n lantaani-modifioinnilla permittiivisyyden arvot vastasivat modifioimattomien näytteiden arvoja. Kaikissa näytteissä havaittiin permittiivisyyden kasvun ohessa myös dielektristen häviöiden kasvua. Esimerkiksi 200 000:n suhteellinen permittiivisyys nosti dielektrisen häviön noin 0,6 tasolle. Työssä käytetyn lantaani-modifioinnin havaittiin myös nostavan BST:n sintrautumiseen tarvittavaa lämpötilaa.

In this work, lanthanum-modified barium strontium titanate (BST) ceramics was fabricated and the structural and dielectric properties were investigated.

Powders for lanthanum-modified BST ceramics were formed by using two different methods. In the first method, the lanthanum oxide was mixed directly with a commercial BST powder. In the second method the BST powders were synthesized from barium carbonate, strontium carbonate, titanium oxide and lanthanum oxide in pre-reaction before sintering. In both cases the BST composition was Ba0.55Sr0.45TiO₃ and lanthanum oxide modification level was 0–1 mol. %. Prepared powders were pressed in to disc shapes and sintered at temperatures ranging from 1350 to 1600 °C.

TGA/DSC analysis was conducted on carbonates and powder of carbonate mixtures to determine the reaction temperatures. Calcined powders were analyzed with a dilatometer to determine sintering temperatures. In addition, the powder particle size was determined for the raw-materials and prepared powders to analyse the compatibility between the reagents and to see the initial particle size for the mixed powders. X-ray diffraction measurements were conducted on the calcined powders and sintered samples to determine the crystal structure.

Dielectric measurements were performed at room temperature at frequency range of 0.02–1000 kHz. It was found out that modification of BST had a clear impact on the dielectric properties and colossal permittivity values were observed on several modification levels. Especially, samples which were made by pre-reacting all the raw materials in the same process showed colossal values of permittivity. BST sample modified with 0.25 mol. % of lanthanum showed relative permittivity values of >200 000 and tan δ of ~0.6. Samples with lanthanum modification level of 1 mol. % did not show colossal values of permittivity. The increase in relative permittivity was always accompanied with increased dielectric losses. Lanthanum modification was also observed to increase the sintering temperature.