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Oct 15, 2023

티탄산 바륨 강유전성 세라믹의 입자 크기 효과 전개

과학 보고서 5권,

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 9953(2015) 이 기사 인용

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다결정 강유전체의 물리적 특성에 대한 입자 크기 효과는 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 왔습니다. 그러나 압전 및 강유전 특성이 입자 크기에 미치는 영향에 대해서는 여전히 큰 논란이 있습니다. 다양한 입자 크기를 갖는 조밀한 BaTiO3 세라믹은 마이크로 및 나노 크기 분말을 사용하는 기존 소결 또는 스파크 플라즈마 소결을 통해 제작되었습니다. 결과는 유전율에 대한 입자 크기 효과가 소결 방법 및 사용된 시작 분말과 거의 무관하다는 것을 보여줍니다. 유전율의 피크는 입자 크기가 1μm에 가까운 모든 세라믹에서 관찰되며 최대 도메인 벽 밀도 및 이동도에 기인할 수 있습니다. 압전계수 d33과 잔류 분극 Pr은 출발 분말의 입자 크기와 소결 온도에 따라 다양한 입자 크기 효과를 나타냅니다. 이는 자벽 밀도 외에도 자벽 이동도에 영향을 미치는 백 필드 및 점 결함과 같은 다른 요인이 유전체 및 압전/강유전 특성에서 관찰되는 다양한 입자 크기 의존성을 담당할 수 있음을 시사합니다. 점 결함이 주요 원인이 아닌 경우 압전 상수 d33과 잔여 분극 Pr은 입자 크기가 증가함에 따라 증가합니다.

결정 구조와 강유전체의 기능적 특성을 지배하는 입자 크기 효과를 이해하는 것은 센서, 액추에이터, 변환기 및 비휘발성 메모리와 같은 다양한 전자 장치에 내장된 강유전체 시스템의 성능을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 2,3. 소형 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 마이크로, 메조 및 나노 규모의 강유전성 구조 제조에 상당한 진전이 이루어졌습니다4,5. 유전체 및 강유전성 특성에 대한 입자 크기 효과에 대한 근본적인 이해는 저차원 강유전성 구조 연구를 통해 달성되었습니다. 얇은/초박막 필름6,7,8, 나노와이어9,10 및 기타 유형의 나노 차원 시스템11,12에 대한 이론 및 실험적 연구에 따르면 강유전성은 나노 규모까지 지속되므로 소형 장치에 사용할 수 있는 잠재력이 입증되었습니다. 그럼에도 불구하고 특정 응용 분야에는 특정 입자 크기에서 직접 얻을 수 있는 특정 기능적 특성을 가진 벌크 구성 요소가 필요합니다. 유전체, 압전성 및 강유전성 특성에 대한 입자 크기 영향이 여러 강유전성 벌크 시스템에서 널리 연구되었지만 여전히 불분명한 측면이 많이 있습니다. 이는 주로 압전 및 강유전 특성의 입자 크기 의존성과 관련이 있으며 기존 문헌에서 종종 불일치를 보여줍니다. 또한 입자 크기 의존성에 영향을 미칠 수 있는 다른 여러 가지 요소가 있습니다. 그들의 식별은 본 연구의 주요 목표입니다. 티탄산 바륨 세라믹은 이 연구를 위한 모델 강유전성 시스템으로 선택되었습니다.

티탄산바륨(BaTiO3)은 페로브스카이트형 구조를 갖는 대표적인 강유전성 물질이다. 유전체 커패시터 및 무연 압전 애플리케이션에 대해 널리 연구되어 높은 유전율(최대 7000)13 및 압전 상수(텍스처 세라믹에서 d33 최대 788pC/N)14 값을 모두 달성했습니다. BaTiO3 세라믹에서는 입자 크기가 유전율에 상당한 영향을 미치는 것으로 보고되었습니다13,15,16,17,18,19,20,21. BaTiO3 세라믹의 유전 상수는 평균 입자 크기가 감소함에 따라 처음으로 증가하여 ~ 0.8-1.1 μm 입자 크기 범위에서 최대값에 도달한 다음 입자 크기가 추가로 감소함에 따라 급격히 감소합니다. 20,21. 다른 강유전체22,23,24에서도 유사한 동작이 관찰되었습니다. 일반적으로 유전율의 입자 크기 의존성은 다양한 분말 가공 및 소결 방법 사용에도 불구하고 일관된 경향을 보여줍니다. 일반적으로 ~ 1 μm의 중간 입자 크기와 관련된 유전율 최대값의 물리적 기원과 관련하여 내부 잔류 응력 및 자벽 운동을 기반으로 한 두 가지 대체 이론이 지난 수십 년 동안 개발되었습니다(참고 자료 19 참조). 검토). 최근 0.32~3.5μm 범위의 입자 크기를 갖는 BaTiO3 세라믹에 대해 수행된 현장 고에너지 X선 회절 실험은 1μm 입자 크기 주변에서 발견되는 최대 유전율이 최대 도메인 벽 기여에 기인함을 시사합니다.