عنوان پایان‌نامه
سنتز لایه نازک نانو ساختار کامپوزیت نرم / سخت پیرو الکتریک PST به روش سل -ژل
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1053;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 59975
- تاریخ دفاع
- ۲۶ تیر ۱۳۹۲
- دانشجو
- عمید شاکری
- استاد راهنما
- حسین عبدی زاده
- چکیده
- لایه های پیزو الکتریک تیتانات زیرکنات سرب (PZT) در میان سایر سرامیک های پیزو الکتریک از پلاریزاسیون بالا، دمای کوری بالا و پهنای باند بالایی برخوردار هستند و از این لایه ها در صنایع میکرو الکترومکانیک و نانو الکترومکانیک به طور گسترده استفاده می شود. در میان روش های سنتز لایه های نازک، روش سل – ژل با داشتن مزایایی مانند امکان کنترل دقیق ترکیب استوکیومتری، دمای سنتز پایین، همگنی بالای لایه ها و تسهیل فرآیند دوپ کردن از اهمیت بالایی برخوردار است. با استفاده از دوپنت هایی مانند Nb5+ می توان پیزوالکتریک نرم تهیه کرد. این مواد دارای پلاریزاسیون پسماند بالا، ضریب گذردهی بالا و کورسیویتی پایین هستند. همچنین دوپنت هایی مانند Fe3+ پیزوالکتریک سخت ایجاد می کنند که دارای کورسیویتی نسبتا بالا و ضریب گذردهی پایین می باشند. هدف از این تحقیق تامین هر دو خاصیت نرم و سخت پیزوالکتریک در کنار هم با ساخت کامپوزیت لایه نازک پیزوالکتریک دوپ شده با آهن PZT (سخت) / دوپ شده با نایوبیم PZT (نرم) است. در این پژوهش، ابتدا با استفاده از روش سل – ژل پایه اسیدی جدید لایه های PZT بر روی زیرلایه فولاد زنگ نزن نشانده شد. سپس به بررسی اثر دوپنت های پذیرنده آهن و دهنده نایوبیم بر خواص کریستالی و الکتریکی لایه پرداخته شد. در انتها با استفاده از این لایه ها، کامپوزیت های سخت/نرم PZT با ترتیب لایه نشانی های مختلف تولید شد و خواص فرو الکتریکی و دی الکتریکی آن ها با یکدیگر مقایسه شد. نتایج حاکی از این مطلب بودند که با اضافه کردن افزودنی های دی اتانول آمین و آب با نسبت مولی بهینه 5/0، می توان لایه هایی با ضخامت 45 میکرومتر و بدون ترک تنها با 10 مرحله لایه نشانی غوطه وری تولید کرد. مقدار پلاریزاسیون پسماند در این لایه µC/cm2 8/7 (در ولتاژ 20 ولت و فرکانس 50 هرتز) و مقدار ولتاژ کورسیویته آن V 5/12 اندازه گیری شد. مقدار ضریب گذردهی این لایه نیز 1630 بود. حداکثر پسماند در لایه های نایوبیم در مقدار 2% و حداکثر ضریب دی الکتریک در مقدار 3% از Nb حاصل شد. همچنین حداکثر کورسیویتی در 3 درصد از دوپنت آهن حاصل شد. بررسی های انجام شده بر روی کامپوزیت سخت / نرم نشان داد که در این کامپوزیت تغییرات شگرفی در خواص فرو الکتریکی و دی الکتریکی به وجود می آید، به طوری که میزان پلاریزاسیون پسماند در کامپوزیت دولایه – دولایه Fe: PZT – Nb:PZT به عدد µC/cm2 94 (حدود 12 برابر لایه PZT) افزایش پیدا کرد و ضریب گذردهی آن در حدود 2600 (حدود 6/1 برابر لایه PZT) اندازه گیری شد.
- Abstract
- Lead zirconate titanate thin films (PZT) exhibit high polarization, high Curie temperature, and high bandwidth among other piezoelectric ceramics and have been extensively used in microelectromechanical and nanoelectromechanichal systems. Sol-gel method is widely applied for preparing PZT thin film due to its low reaction temperature, the ability to precisely control the stoichiometry, high homogeneity, and easiness in doping. Soft PZT can be obtained using donor dopants such as Nb5+. This material has a high remnant polarization, high relative permittivity and low coercivity. Also, acceptor dopants such as Fe3+ lead to hard PZT which has high coercivity and low relative permittivity. The aim of this study is to couple both hard and soft piezoelectric properties together by synthesizing piezoelectric composite thin film of Fe doped (hard) / Nb doped (soft) PZT. In this research, at first, PZT films were deposited on stainless steel substrates by a modified acid-based sol–gel route. After that, the effects of iron, as an acceptor dopant, and niobium, as a donor dopant, on crystal structure and electrical properties of the films were investigated. Finally, PZT piezoelectric soft/hard composite was fabricated with different deposition steps based on optimum deposition parameters of doped films and the ferroelectric and dielectric properties of the composites were studied. The results indicated that adding diethanolamine and water as an additive with the optimum molar ratio of 0.5 to the PZT sol leads to formation of crack free PZT films with the thickness of 45 µm with only 10 steps of dip-coating process. The amount of remnant polarization (at the frequency of 50 Hz and applied voltage of 20 V) and coercive voltage of the film were 7.8 µC/cm2 and 12.5 V, respectively. Moreover, the dielectric constant of the PZT film was about 1630. The maximum remnant polarization was obtained in 2% Nb and the maximum permittivity was achieved in 3% Nb for PNZT films. Also, the maximum coercivity was obtained in 3% of iron dopant for PFZT film. The studies of soft/hard composite demonstrated a great change in ferroelectric and dielectric properties. The amount of remnant polarization of the 2 layers – 2 layers Fe: PZT / Nb: PZT composite was dramatically increased up to 94 µC/cm2 and the dielectric constant was measured about 2600.
