การปรับปรุงสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางไดอิเล็กทริกวัสดุออกไซด์ [A1/3B1/3C1/3]Cu3Ti4O12 (A = Li+/Na+, B = Sr2+/Ca2+/Cd2+, C = Yb3+/Tb3+/Bi3+) โดยการเจือด้วยไอออนต่างๆ ในตำแหน่ง Cu และ Ti

บทคัดย่อ

ในงานวิจัยนี้ ได้มีการเตรียมวัสดุไจแอนท์ไดอิเล็กทริก (GDMs) โดยใช้วิธีการเตียมแบบปฏิกิริยาสถานะของแข็ง วัสดุผงตั้งต้นถูกผสมโดยใช้วิธีการบดด้วยลูกเปียกในเอทานอลโดยใช้ลูกบอล ZrO2 เป็นตัวกลางในการบด วัสดุตัวอย่างเซรามิกผลิตได้โดยการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงและผ่านการเผาในเวลาต่างๆ งานวิจัยนี้มีการศึกษาผลกระทบหลายประการต่อโครงสร้างจุลภาค การตอบสนองต่อไดอิเล็กตริก และคุณสมบัติทางไฟฟ้าอย่างเป็นระบบ วัสดุเซรามิกที่ผ่านการเผามีการศึกษาลักษณะเฉพาะโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น XRS, SEM, SEM-EDS mapping, Raman และ XPS การเปลี่ยนแปลงสถานะของ Cu+, Cu3+ และ Ti3+ ได้รับการตรวจสอบโดยเทคนิค XPS และมีการศึกษาคุณสมบัติของไดอิเล็กตริกและทางไฟฟ้าที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง ความถี่ และอุณหภูมิ สำหรับการศึกษาสมบัติทางไฟฟ้านั้นได้ใช้เทคนิคอิมพิแดนซ์สเปกโทรสโกปีเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเกรนที่มีสมบัติทางไฟฟ้าเป็นสารกึ่งตัวนำและขอบเกรนที่เป็นฉนวนไฟฟ้า คุณสมบัติทางไดอิเล็กตริกและทางไฟฟ้าของระบบวัสดุทั้งหมดอธิบายโดยใช้แบบจำลองการผ่อนคลายตัวของ Maxwell–Wagner โดยอิงตามแบบจำลองตัวเก็บประจุแบบชั้นขวางกั้นภายใน (IBLC) กลุ่มวัสดุ GDM แรกที่ได้ศึกษา คือ ACu3Ti4O12 (A = Cu, Na1/2Y1/2 และ Na1/3Ca1/3Yb1/3) โดยวัสดุ A = Ca นั้น สมบัติทางไดอิเล็กตริกได้รับการปรับปรุงโดยการเจือด้วย Zn2+ และ F- ไอออน วัสดุมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (e) สูงมาก (e = 5.76 – 7.59 *10^4) นอกจากนี้แล้ว งานวิจัยนี้ยังพบว่าคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกสามารถปรับปรุงได้ด้วยการสร้างวัสดุเซรามิกคอมโพสิต CaTiO3/CaCu3Ti4O12 ที่เจือด้วยไอออนของ Ge ส่งผลให้วัสดุคอมโพสิตมีค่า e สูง และมีค่าการสูญเสียทางไดอิเล็กทริกที่ต่ำมาก (tand~0.01) รวมทั้งไม่เปลี่ยนแปลงตามปริมาณสารเจือ ในกรณีวัสดุ A = Na1/2Y1/2 วัสดุมีค่า e มีค่าอยู่ในระดับ 10^4 และมีค่า tand ที่ต่ำในช่วง ~0.018–0.022 โดยค่า tand ต่ำสุดที่คือ 0.009 ที่ 1 kHz แรงดันพังทลายและสัมประสิทธิ์ความไม่เชิงเส้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิและเวลาการเผาผนึกเพิ่มขึ้น สำหรับ A = Na1/3Ca1/3Yb1/3 วัสดุมีค่า tand = 0.038 และมีค่า e ที่สูงถึง ~2.63 * 10^4 ที่ 1 kHz รวมทั้งมีความเสถียรของอุณหภูมิที่ดีได้สำเร็จ แรงดันพังทลายมีค่าสูงถึง~1606 V.cm-1 และมีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นเท่ากับ 6.158 กลุ่มวัสดุ GDM ที่สองที่มีการศึกษาในงานวิจัยนี้ คือ TiO2 การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การศึกษากลไกการชดเชยประจุและคุณสมบัติของไดอิเล็กทริก สำหรับเซรามิก (AlxCr0.05-x)Ta0.05Ti0.9O2 ขนาดเกรนเฉลี่ยเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่อเพิ่มอัตราส่วน Al3+/Cr3+ ในขณะที่ความพรุนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ค่า e ของวัสดุ Cr0.05Ta0.05Ti0.9O2 มีค่าเพียง e~10^3 เท่านั้น ซึ่งอธิบายโดยการชดเชยประจุกันเองระหว่าง Cr3+-Ta5+ ที่ยับยั้งการก่อตัวของ Ti3+ ที่น่าสนใจคือค่า e สามารถเพิ่มได้อย่างมีนัยสำคัญ (6.68*10^4) โดยการปรับสมดุลการชดเชยชดเชยประจุใหม่ผ่านการเติมสารเจือที่สาม Al3+ Al3+/Cr3+ สำหรับเซรามิก (Ga1/2Nb1/2)0.1Ti0.9O2 มีค่า e ~4.2–5.1*10^4 และมีค่าการสูญเสียต่ำ (tand~0.007–0.010) รวมถึงมีค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงกับอุณหภูมิต่ำค่า (<+-15%) ใช่วงอุณหภูมิระหว่าง -60 ถึง 200 oC ผลงานวิจัยที่สำคัญพบว่า tand (ที่ 1 kHz) จะลดลงอย่างมาก ~4.4 เท่า ในขณะที่ค่า e เพิ่มขึ้น ~3.5 เท่า ซึ่งมาจากอัตราส่วน Al3+/Ga3+ สูงกว่า ในขณะที่ค่าของ tan? ที่ 200?C มีค่าต่ำถึง 0.04 เท่านั้นงานวิจัยนี้ได้ให้แนวทางที่ครอบคลุมสำหรับการปรับปรุงคุณสมบัติทางไจแอนท์ไดอิเล็กตริกที่สามารถออกแบบวัสดุไจแอนท์ไดอิเล็กทริกออกไซด์ให้มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดของการใช้งานตัวเก็บประจุเซรามิก ผลจากการศึกษาวิจัยในโครงการวิจัยนี้สามารถตีพิมพ์ผลงานวิจัยในวารสารวิชาการคุณภาพระดับ Q1 และ Q2 ได้จำนวน 5 และ 1 เรื่อง ตามลำดับ

คำสำคัญ