Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/83662
Title: Cation vacancy defect in modified barium titanate ferroelectric ceramics
Other Titles: ตำหนิแบบช่องว่างของไอออนบวกในแบเรียมไททาเนตเฟอร์โรอิเล็กทริกเซรามิก : รายงานวิจัยฉบับสมบูรณ์
Authors: Natthaphon Raengthon
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Science
Subjects: Barium
Ceramic materials
Dielectrics
แบเรียม
วัสดุเซรามิก
ไดอิเล็กทริก
Issue Date: 2021
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: Development of advanced technologies for electronic applications, particularly aiming to increase energy efficiency and sustainability, are increasing in demand for regular usage. A majority of this development involves improvement of material's properties. Researcher has been continuously studied and developed new electronic material. Ferroelectric ceramic is one of many materials that is of interest, for example, lead-based (e.g. Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃: PMN) and lead-free (e.g. Ba(Zr,Ti)O₃: BZT) materials. It is, however, known that the RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive) listed Lead (Pb) as one of the hazardous materials and is restricted for using in many electronic applications. Therefore, the development of lead-free materials has increased in attention and there is many more aspects of research to be explored. The electrical properties of relaxor ferroelectric ceramics, especially dielectric and ferroelectric behaviors, are improved from normal ferroelectric ceramic, which led to the usage of these materials in various applications such as capacitors and piezoelectric devices. A majority of researches focuses on fundamental understanding of relaxor behavior both experimentally and theoretically as well as device development based on these materials. In fabrication process, it is common to find defects in polycrystalline materials, which can be in a range of atomicscale to micro-scale. These defects play major roles in controlling electrical properties of the ceramics. In some applications, defects can be advantage as to improve the properties of the devices. On the other hand, properties of devices can be deteriorated by the present of defects leading to electrical fatigue and failure of devices under extreme conditions. It is, therefore, important to understand how cation vacancy defect affects electrical properties of modified barium titanate ferroelectric ceramics. The effect of Acation non-stoichiometry on the electrical properties of barium strontium titanate ceramics is an interesting topic of investigation. This study examined the stoichiometric, Ba-excess, Ba-deficient, Sr-excess and Sr-deficient compositions of (Ba₀.₈Sr₀.₂)Ti0₃ ceramics. A-cation non-stoichiometry of (Ba₀.₈₀Sr₀.₂₀)TiO₃ ceramics affected dielectric properties differently. The Ba- and Sr-excess compositions decreased dielectric constant at Tmax while still maintaining broad phase transition characteristics. In contrast, dielectric constant increased in the Ba- and Sr-deficient compositions. The characteristics of electrical conduction are different at high temperatures when Ba- and Sr-deficiency is introduced to the dielectrics. Ti⁴⁺ state for the Ba-deficient composition is maintained. However, Ti⁴⁺state partially changes to Ti³⁺ state, giving rise in the polaron hopping conduction process for Sr-deficient composition. Therefore, this study shows that minor deviation of A-cation from stoichiometry can induce a different conduction process while maintaining the dielectric permittivity characteristics.
Other Abstract: การพัฒนาวัสดุขั้นสูงสำหรับการใช้งานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ได้มีการดำเนินการมาอย่างเป็นเวลานาน เนื่องจากมีความต้องการใช้งานจากอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องพร้อมกับอุปกรณ์ใหม่ที่ต้องการประสิทธิภาพที่สูง การปรับปรุงวัสดุอย่างระมัดระวังช่วยทำให้สมบัติทางไฟฟ้าพัฒนาดีขึ้นได้ ตำหนิเป็นตัวแปรหนึ่งที่สำคัญต่อการควบคุมสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเพอร์รอฟสไกต์ฐานไททาเนต การพัฒนาสมบัติไดอิเล็กทริกและความต้านทางไฟฟ้าเป็นสิ่งที่สำคัญต่อการพัฒนาวัสดุไดอิเล็กทริกให้มีประสิทธิภาพสูง โดยเทคนิคในการพัฒนาสมบัติหรือประสิทธิภาพของวัสดุไดอิเล็กทริกให้ดีขึ้นนั้นมีหลากหลาย ซึ่งในงานวิจัยนี้สนใจที่จะศึกษาผลกระทบของปริมาณไอออนที่ตำแหน่งเอของวัสดุเพอร์รอฟสไกต์ต่อสมบัติทางไฟฟ้าของแบเรียมสตรอนเทียมไททาเนตเซรามิก โดยเฉพาะมีการควบคุมปริมาณของไอออนดังนี้ แบเรียมเกิน แบเรียมขาด สตรอนเทียมเกิน และสตรอนเทียมขาด ที่เป็นองค์ประกอบของสารประกอบ (Ba₀.₈Sr₀.₂)Ti0₃ ผลการทดลองพบว่าสมบัติไดอิเล็กทริกมีการเปลี่ยนแปลงแตกต่างกันเมื่อปริมาณแบเรียมหรือสตรอนเทียมไอออนเกินและขาด สารประกอบที่มีองค์ประกอบของแบเรียมไอออนหรือสตรอนเทียมไอออนที่เกินมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงสุดลดลงและมีพีคลักษณะกว้าง ในทางตรงกันข้ามค่าคงที่ไดอิเล็กทริกมีค่าสูงขึ้นในสารประกอบที่มีองค์ประกอบของแบเรียมไอออนหรือสตรอนเทียมไอออนขาด เมื่อศึกษาสารประกอบที่มีองค์ประกอบของแบเรียมไอออนขาดหรือสตรอนเทียมไอออนขาดอย่างละเอียดพบว่าลักษณะเฉพาะของการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงมีความแตกต่างกัน นอกจากนี้ยังพบว่าสถานะวาเลนซ์อิเล็กตรอนของไทเทเนียมไอออนมีความแตกต่างกันระหว่างสารประกอบที่มีแบเรียมไอออนขาดและสารประกอบที่มีสตรอนเทียมไอออนขาด Ti⁴⁺บางส่วนได้เปลี่ยนเป็น Ti³⁺ ในสารประกอบที่มีสตรอนเทียมไอออนขาดเท่านั้น ซึ่งตำหนินี้เป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดกระบวนการนำไฟฟ้าแบบโพรารอน ดังนั้นจากงานวิจัยนี้ แสดงให้เห็นว่าการที่องค์ประกอบทางเคมีของแบเรียมไอออนหรือสตรอนเทียมไอออนเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยก็ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าที่ต่างกันอย่างชัดเจนและสมบัติไดอิเล็กทริก
URI: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/83662
Type: Technical Report
Appears in Collections:Sci - Research Reports

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Natthaphon_Ra_Res_2562.pdf19.59 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.