钛酸铋钠介电调节
CaZrO3掺杂对耐高温陶瓷电容介电性能的影响
( a eKe b o eto i i l sa n e ae vc s Stt yLa . fElcr ncTh nFi ndI tgr tdDe ie ,U nv riyo e to i ce c n c n lgyo m ie st fElcr ncS in ea dTe h o o fChia n,
体 系基 础 上 , 用 C Z O 利 a r 。对 其 掺 杂 改 性 , 到 了 介 电性 能优 越 的 耐 高 温 电容 器 陶 瓷 材 料 , 居 里 温 度 高 ( 5 C) 得 其 1 0。 ,
介 电常 数 相 对 较 高 ( 0 12 0以 上 ) 。从 离 子 取 代 及 微 观 结 构 表 征 等 方 面 研 究 了 不 同 C ZO。 杂 量 对 改 性 钛 酸 钡 陶 ar 掺 瓷 的介 电常 数 、 温 变 化 率 和 介 电 损 耗 的 影 响 , 研 制 耐 高 温 多 层 陶 瓷 电容 器 ( C ) 供 了参 考 。 容 为 ML C 提
C Z O3 杂 对 耐 高 温 陶瓷 电容 介 电性 能 的影 响 ar 掺
杨林 波 , 张树 人 , 唐 斌 , 袁 颖
( 电子 科 技 大学 电 子 薄 膜 与 集 成 器 件 国 家 重点 实 验 室 , 川 成 都 6 0 5 ) 四 1 0 4
摘
Hale Waihona Puke 要 : 钛 酸 铋 钠 ( NT) 性 亚 微 米 级 钛 酸 钡 合 成 居 里 温 度 较 高 的基 料 。在 NbOsT z 5Z O 基 础 配 方 用 B 改 z - a0 一n
Ch n d 0 5 e g u 61 0 4,Ch n i a)
钛酸铋钠介电常数700
钛酸铋钠介电常数700
一、钛酸铋钠的介电常数
钛酸铋钠又称为BNBST,是一种复合钛酸盐陶瓷。
它具有高介电常数、低介质损耗、优异的热稳定性和压电效应等特点,因此广泛应用于电子元器件、声波滤波器和压电传感器等领域。
其介电常数一般为几百到几千之间。
二、影响钛酸铋钠介电常数的因素
钛酸铋钠的介电常数取决于多个因素,包括材料的成分、制备工艺、晶体结构等。
其中,钙钛矿结构的BNBST材料具有较高的介电常数,一般在1000左右。
此外,材料中掺杂其他金属离子也可以调节其介电性能。
三、应用领域
钛酸铋钠由于其高介电常数和优异的压电效应,被广泛应用于电子器件领域。
例如,它可以作为高频电容器的电介质层,用于储存高频电荷;也可以作为滤波器的滤波介质,用于滤除特定频率信号和噪音等。
综上所述,钛酸铋钠的介电常数一般为几百到几千之间,取决于材料的成分和制备工艺。
其高介电常数和良好的压电效应使得它具有广泛的应用前景,在电子器件、声波滤波器和压电传感器等领域得到了广泛的应用。
La掺杂对BNBT基陶瓷介电性能的影响
表 1样品编号与分子式对应情况
N 0. 工 艺
A1 0 . 01
分 子 式
( L a o o , Bi o 4 9 Na o 5 ) 0 9  ̄ Ba o c  ̄ Ti O3
A 2 A 3
A4
内
O . O 1 5 00 3
.
( L a o o  ̄ s B i o 4 8 5 N a o 5 ) 0 9 4 B a o n 6 T i 酸钡( B a T i O , , 即B T ) 由于其居里温度过低导致容温特性太差 , 且 无法在 大于 1 3 0  ̄ C 的环境下正常使用 , 而作为同样拥有钙钛矿结 构的 钛 酸铋钠 ( N a o B i T i O , 即B N T) 材料则 具有高达 3 2 0 ℃的居里 温度 , 科 学家” 将 两种材料通 过叠加原理 , 得到 了具 有高介 电常数的二元体 系 B N B T 材料 。从现世 以来 , B N B T 受到了广大无铅压 电科学家 的关注 , 但用于 M L C C 产 品研究 的却还不 多。 稀土元素 由于其特性 , 被应用 于各种材料 的改性掺杂 , 其中, 科 学 家们 已经 对 L a 离 子掺 杂 B T 体 系或 B N T 体系作 了大 量的研究 , 证 实了 它对提高 B T 体 系或 B N T 体 系介 电性能 的重要作 用。为了了解 L a 3 离子
对 同样 拥有着 钙钛矿 结构 的 B N B T 体系介 电性能 和微观结 构 的影 响 , 本 文对 B N B T 材 料进行 了 L a 的掺 杂 , 并对掺 杂后 的介 电性能 和微观结
珥 u 即 嗍
构进行 了仔细 的研究 。 图l 样 品 A2 、 A 4 、 B 2 和B 4的 XR D图 2 、 实 验 部 分 对比图1 中 的A 2、 A 4和 B 2 、 B 4 两组 X RD图可以看 出 , A 2和 A 4的 采 用 固相 法合 成 B N B T — L a 材料 , 以B i O , 、 N a C O , 、 T i O 、 B a T i O , 和 三强峰不论是半高宽还 是峰的位置 , 基 本不随 L a 离子含量 的变 化而变 L a 2 0 , 为 起始原 料 , 按 配 比精确 称量 , 加 入一定 量的无水 酒精混 合球磨 化 ; 而对 比B 2 和B 4 可以知道 , 随着 L a 含量 的增多 , 体 系的最强 峰急剧 6 h , 得到 的浆 料在 D B 一 2 0 6 S C B 型干燥箱 中于 7 0 c c 烘烤 、 过4 0目 筛网, 并 下 降 , 这是 由于 L a 离子进 人品格后 , 将与原有离 子一起形成“ 壳一 芯” 结 将粉体 置入坩埚 , 在8 0 0  ̄ C 空气气氛 中煅烧 , 保温 2 . 5 h , 使原料粉末充分 构 。根据该结构 的特性 , 体 系的晶粒在 生长过程 中将 受到一 定的束缚 。 反应合 成 B N B T — L a 基料 , 并进 行二次球 磨 , 烘 干得 到的瓷料粉 末加 人 表 2样品 A 2 、 A 4、 B 2 和B 4 室温 的介 电常数 5 w t %聚乙烯醇 ( P V A) 粘合 剂混合均匀造粒后 , 以2 0 MP a 压力干压成 型 NO. A2 A4 B2 B4 为圆片 ( 1 c m D× 0 . 1 c m d ) 。圆片试样在空气 中于 6 0 0 ℃排胶后 , 按一 定 £ 1 9 0 8 1 7 0 8 l 3 53 1 9 7 8 烧 成制 度在空气 中 1 1 0 0 ℃煅烧 2 . 5 h , 随炉冷 却 。双 面 8 0 0 %烧结 A g 电 极后 , 利用 A g i l e n t 4 2 8 4 A 型精密 L C R 仪测量 圆片样 品在 1 K H z 下 的容量 和损 耗 , 并 计算 其介 电常数 。并 利用 H M2 6 7 2 A型绝缘 电阻 测试仪 和 J e o l J S M一 6 4 9 0 L V型 电子扫描 显微镜 分别测 量绝缘 电阻和 观察合成 粉 体形貌与粒度 。 3 、 结果与讨 论 3 . 1 掺杂方式的影响 为 了方便叙述 , 我们把 直接将 L 离 子加人化学分子式中的掺杂方 式简称为 内掺杂 , 而 为区别 于内掺 杂, 将 另一种方式 简称 为外掺 杂。 首先 , 按照 内掺杂 化学分 子式( L a B i N a o ) 。 B a o o  ̄ T i O , 和外 掺杂化 学分子式 f 1 一 x ) ( B i 。 Na o ) 。 。 B a o T i O + x L a 精确配 比并称取各种 原材料 , 采 用 固相 合成法 , 分别烧结得到样 品A 1 ~ A 4 和B 1 ~ B 4 , 化学分子式如下表
钛酸铋钠-钛酸钡陶瓷的铁电压电性能研究
1引言微机电执行器因可以将电能转变为机械能而被广泛应用于工业生产中。
在该领域,压电陶瓷具有频率范围宽、精度高、响应时间快和器件体积小等优点,近年来受到广泛关注[1-3]。
其中,铅基压电陶瓷Pb(Zr,Ti)O3(PZT)因其优异的性能得到了广泛的应用。
然而,铅基陶瓷具有高毒性而给环境带来了严重的污染,此外,这类器件因为受温度的影响较大而在使用过程中对环境条件要求比较苛刻。
这促使人们投入更多关注去寻找具有大应变又具有良好温度稳定性的无铅陶瓷。
在这些无铅陶瓷中,Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)具有室温铁电性强、压电性能好等优点,是目前最有前途的无铅陶瓷材料之一。
但由于BNT大的矫顽场和低击穿场强,纯BNT 比较难以极化,且BNT的应变值太低,还不能满足实际应用。
为了提高BNT基陶瓷的性能,一般采用在BNT的基础上掺杂其它元素或ABO3型钙钛矿化合物构建多元陶瓷体系,如BaTiO3[3],(Bi0.5K0.5)TiO3[4],Na0.5K0.5NbO3[5]和SrTiO3[6]等。
其中,BNT与BaTiO3 (BT)的固溶体具有良好的压电性能,且适当的掺杂得到压电性能与PZT相当。
BNT本身具有三方的相结构特征,而引入的BaTiO3具有四方相结构,因此,通过适量的掺杂可以获得准同型相界并得到优异的电学性能。
本文通过在BNT铁电陶瓷中掺杂BaTiO3,制备出新型(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3(简称BNBT)无铅铁电陶瓷,并详细分析了材料的表面微观结构、铁电特性以及温度对铁电性能的影响规律。
2实验将分析纯的Bi2O3(99.9%),Na2CO3(99.5%),BaCO3 (99.9%)和TiO2(98%)粉末按化学计量比称重,通过固溶反应技术合成了(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3(简称BNBT)陶瓷。
在1130°C的空气气氛下烧结2小时。
为了减少烧结过程中钠和铋的挥发,烧结中采用粉末埋烧的方法。
掺杂钛酸铋钠对钛酸锶钡陶瓷介电性能的影响
湖北大学学报( 自然科学版)
J o u r n a l o f Hu b e i Un i v e r s i t y ( Na t u r a l S c i e n c e )
Vo l I 3 5 NO . 4
BS T c e r a mi c s we r e i n v e s t i g a t e d .Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e mi c r o s t r u c t u r e d i s p l a y e d d i f f e r e n t d e g r e e o f c h a n g e a s d i f f e r e n t d o p i n g a mo u n t . Th e d i e l e c t r i c c o n s t a n t s h a d a h u n g i n c r e a s e ,a n d p r e s e n t e d
瓷 的微观结构和介电性能的影 响 , 并探讨相关机理. 研究结果表 明, 在讨论 的掺杂范 围 内, 随着钛酸铋 钠掺杂量 的增加 , 钛酸锶钡的 晶粒尺寸先增大 , 后减小 . 当掺杂量为 0 . 5 ( 质量分数 , 下 同) 时, 介电弥散发生 , 半导化现象 出现. 当钛 酸铋 钠 掺杂量介 于 1 . O ~1 . 5 之间时 , 钛酸锶钡陶瓷的介 电常数均保持在 5 0 0 0 , 且居里温度向高温移动 到 1 2 0℃ , 1 0 k Hz 频率 的介 电损耗低于 0 . 0 5 .
o b v i o u s d i f f u s e p h a s e t r a n s i t i o n wh e n B NT d o p i n g c o n t e n t wa s 0 . 5 ( w/ w, t h e s a me b e l o w) .w h i l e
【国家自然科学基金】_钛酸铋钠_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
推荐指数 10 5 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
科研热词 钛酸铋钠 无铅压电陶瓷 掺杂 钛酸铋钠基陶瓷 退极化行为 组分设计 相界构建 电性能 显微结构 无铅压电 性能调控 反铁电 介电 na1/2bi1/2tio3 bi基钙钛矿
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
科研热词 钛酸铋钠 无铅压电陶瓷 铌酸钾钠 电性能 液相掺杂 气相扩渗 改性 压电性能 介电性能 c性能 晶粒取向生长技术 显微结构 无铅薄膜 无铅压电 无铅 掺杂改性 掺杂 弛豫特性 多型相转变 复合陶瓷 压电陶瓷 介电性 三氧化二锑 pld nao. 5 bio. 5 tio3 modification liquid doping gaseous penetration electrical property bi基钙钛矿 bi0.5na0.5tio3(bnt)
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
科研热词 钛酸铋钠 无铅压电陶瓷 锆钛酸钡 铁电性能 电学性能 溶胶-凝胶法 晶体生长 无铅 无机非金属材料 弛豫铁电体 压电陶瓷 压电性能 力学性能 准同相界 准同型相界 介电性能 介电弛豫
推荐指数 5 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的制备工艺
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的制备工艺摘要:结合钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的性质,介绍了钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3((BNT)的制备工艺。
关键词:钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3BNT)制备工艺压电陶瓷是一类极为重要的﹑世界各国竞相研究开发的功能材料,被广泛应用于通信﹑家电﹑航空﹑探测和计算机等诸多领域,是最重要的电子材料之一。
但是现在使用的压电陶瓷材料仍是含铅的,其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%。
氧化铅是一种有毒物质。
因此,无铅压电陶瓷成为研究的热点。
Bi0.5Na0.5TiO3(缩写为BNT)具有铁电性强、压电常数较大、介电常数小、声学性能好等优良特性,且烧结温度较低,被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一[1]。
一、钛酸铋钠0.5Na0.5TiO3(BNT)的性质钛酸钡(BaTiO3)是最早发现的典型无铅压电材料,其居里温度较低,工作温度范围较窄,压电性能属于中等水平。
当前研究多集中在对钛酸钡进行深度改性,如BT-Nb2O5-Co3O4﹑BT-Nb2O5-ZnO﹑BT-Bi2O3-TiO2均具有平缓的电容量温度特性。
[2]研究表明,上述材料体系的平缓温度特性得益于陶瓷中形成的细晶结构或壳-芯(core-shell)结构[3,4]。
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)是1960年Smolensky等[5]首次合成并发现的具有钙钛矿结构的铁电体,同时为A0.5A′0.5TiO3,是钛酸盐系列的典型代表。
BNT在室温下是三方铁电相,在230℃时经历弥散相变转变为反铁电相,在320℃转变为四方顺电相,520℃以上BNT为立方相。
BNT具有弛豫铁电体的特征,具有相对较大的剩余极化强度Pr(38μC/cm)﹑压电系数大(kt,kp约50%)﹑介电系数小(240~340)﹑声学性能好(其频率常数Np=3200Hz?m)和极高的矫顽场(7.5kV/mm)。
压电材料的研究新进展
压电材料的研究新进展温建强;章力旺【摘要】压电材料作为机电转换的功能材料,在高新技术领域扮演着重要的角色.锆钛酸铅压电陶瓷凭借其优良的性能,自投入使用以来成为最广泛使用的压电材料.近年来,探索和发展潜在的替代新型材料备受重视.本文就近些年来国内外压电材料技术研究进展中呈现的无铅化、高性能化、薄膜化的新趋势进行了综述,并对今后的研究提出一些发展性的建议.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2013(032)005【总页数】6页(P413-418)【关键词】压电材料;压电性能;无铅压电材料;压电薄膜【作者】温建强;章力旺【作者单位】中国科学院声学研究所北京100190;中国科学院声学研究所北京100190【正文语种】中文【中图分类】TM2821 引言1880年P.Curie和J.Curie首次发现石英晶体有压电效应,1954年美国 B.Jaffe 发现了锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷,此后逐渐发展为国内外主流的压电材料,在功能材料领域占有重要的地位[1]。
压电材料发展的类型主要有单晶、多晶、微晶玻璃、有机高分子、复合材料等。
20世纪80年代以来,随着压电陶瓷材料从二元系向三元、多元系的开发研究高潮的结束,压电材料的研究一度进展缓慢。
随着科学技术快速发展,应用需求牵引下的开发探索给予了压电材料研究的新动力,加上科技工作者在基础性研究和生产工艺改进上的不懈努力,近十几年来,新型的压电材料不断涌现出,并呈现出无铅化、高性能化、薄膜化的态势,使得压电材料研究的面貌焕然一新,带动相应的应用器件研究也日趋活跃。
本文就近些年来国内外压电材料技术研究中所呈现出的新趋势和最新进展进行介绍,并对今后研究的努力发展方向进行展望,并提出一些建议。
2 压电材料研究的新趋势2.1 无铅化随着环境保护和社会可持续发展的要求,发展环境协调性材料及技术已是公认的大势所趋。
为了防止环境污染,国内外科研人员对无铅压电材料开展了大量的研究工作并取得了令人鼓舞的进展[2]。
Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-BaTiO_3-KNbO_3陶瓷的介电特性及相变行为研究
陶瓷有 3 个介 电异常峰,而 B B -. K N T0 4 N和 B B -. K 0 N T0 8 N陶瓷 中有 2个介 电异 常峰, 0 并对 陶瓷 中出现的介电异常进行 了讨论. 通过介电温谱数据拟合, 讨论 了 B B - N 陶瓷的介 电弛豫特 N TK x
性 ,并 解释 了 B Tx N 陶瓷退极 化 的原 因以及 出现双 电滞 回线的机 理 . NB -K
铅压 电材料 【 ] B 的居里温度为 3 0 室温下 3: T 西N 2 ℃, 为三方结构 , 具有相 当大 的剩 余极化强度 P= 8 r 3
K N也是种 良好的铁 电材料, B B 在 N T中加入 K , N
形 成 (-) o7 a.B o6i -KN O (NB -KN) 1 Bi4 o7a TO3 x .N 4 o x b3 B Tx
收 稿 日期 :2 1- 2 0 0 0 1- 8
介 电行为进行了研究.
1 实验步骤
采用传统陶瓷制备工艺制备 出了无铅压 电陶
瓷, 1 图 为制备陶瓷的流程图. B2 3 9 % 、 以 i ( . ) O 99
宁 波大 学学 报 ( 理工 版 )网址 :t :3 b b . uc ht / x . ue . p/ n d n 基金项 目: 浙江省科技厅科研项 目 ( 0 8 2 09). 2 0C 16 第一作者: 倪海民 ( 9 3 18 一), 浙江德清人, 男, 在读硕士研究生, 主要研究方向:无铅压电陶瓷 . — i hi nn@13 o Emal a gi 6 . r : mi cn + 通讯作者:罗来慧 (18 一),男,江西吉水人,副教授, 91 主要研究方向: 铁电压电. . i l s @16cr Ema :l i 2 . n l hc o
Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3陶瓷的介电特性及相变行为研究
Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3陶瓷的介电特性及相变行为研究倪海民1, 罗来慧1*, 诸跃进1, 张约品2【摘要】采用固相反应法制备了(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3(BNBT-xKN, x=0~0.08)陶瓷, 借助铁电分析仪、阻抗分析仪、扫描电镜(SEM)等仪器研究了KNbO3(KN)引入后, 对陶瓷的微观结构、相变行为和介电性的影响. BNBT-xKN的扫描电镜(SEM)图显示: 适量的KN对BNBT陶瓷具有细化晶粒、增大致密度作用. 介电温谱(30~500℃)显示BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.02KN陶瓷有3个介电异常峰, 而BNBT-0.04KN和BNBT-0.08KN陶瓷中有2个介电异常峰, 并对陶瓷中出现的介电异常进行了讨论. 通过介电温谱数据拟合, 讨论了BNBT-xKN陶瓷的介电弛豫特性, 并解释了BNBT-xKN陶瓷退极化的原因以及出现双电滞回线的机理.【期刊名称】宁波大学学报(理工版)【年(卷),期】2011(024)003【总页数】5【关键词】铁电体; 压电陶瓷; 无铅; 弛豫; 弥散相变压电陶瓷是一种可实现电能和机械能相互转化的功能陶瓷, 在机械、电子、能源等方面具有很广泛的运用. 长期以来, 对压电陶瓷的研究和应用主要集中在Pb(Zr,Ti)O3系列陶瓷(PZT). PZT陶瓷拥有优异的电学性能, 但由于陶瓷制备过程中PbO的挥发, 造成严重的环境污染. 出于环境保护和人类社会可持续发展的需求, 新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为世界各国致力研发的热点材料之一[1-2]. 在环境友好型铁电压电陶瓷中, 钛酸铋钠((Bi0.5Na0.5)TiO3, BNT)基陶瓷是一种很有希望的无铅压电材料[3-6]: NBT的居里温度为320℃, 室温下为三方结构, 具有相当大的剩余极化强度Pr=38 μC·cm-2, 较高的矫顽电场Ec=73k V·cm-1, 通过固溶BaTiO3、(Bi0.5K0.5)TiO3、KNbO3等铁电材料可以提高其压电性[7-9], 如由BNT和BT组成的二元体系可能具有较低矫顽电场, 陶瓷极化较容易, 有利于提高陶瓷的压电性能[7].钛酸铋钠随温度变化具有复杂的相变行为, 在220, 320和540℃温度处发生相变, 220℃处BNT陶瓷退极化, 失去压电性, 但是对其退极化的原因争论较多. 由于在退极化温度附近测量到了材料的双电滞回线[6,10], 所以认为导致退极化的原因是由于在退极化温度处发生了铁电相到反铁电相的相转变, 然而在相转变温度以上通过高分辨的X射线衍射、中子衍射等实验手段并没有观测到反铁电相的存在[11-12], 而退极化温度决定了BNT基陶瓷的温度稳定性, 因此有必要对BNT基陶瓷的退极化原因进行深入的研究. BNBT陶瓷是一种在准同型相界的无铅压电陶瓷, 具有较大的压电性能, KN也是种良好的铁电材料, 在BNBT中加入KN,形成(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xKNbO3(BNBT-xKN)陶瓷, 有利于提高陶瓷的压电性. 笔者采用固相烧结方法制备出了BNBT-xKN (x=0~0.08)陶瓷, 通过测量陶瓷在不同频率下的介电温谱, 结合不同温度下电滞回线分析, 对BNBT-xKN陶瓷的相变和介电行为进行了研究.1 实验步骤采用传统陶瓷制备工艺制备出了无铅压电陶瓷, 图1为制备陶瓷的流程图. 以Bi2O3(99.9%)、Na2CO3(99.8%)、TiO2(99%)、BaCO3(99%)预合成Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3(BNBT)多晶粉体; 利用K2CO3(99%)、Nb2O5(99.5%)预合成KNbO3(KN)多晶粉体, 2种氧化物粉末在纯酒精中球磨10h, 然后烘干,再在850℃条件下烧结2h, 在该阶段中, 2种粉末发生的化学反应分别如下:将烧结好的BNBT和KN粉末按BNBT-xKN (x=0~0.08)化学式配料球磨10h 后干燥, 再用5%浓度的PVA溶液造粒过筛, 在10MPa条件下压成直径10mm、厚度为1mm的圆形薄片, 在1150℃条件下烧结3h, 样品磨平后被银, 在650℃烧渗银电极. 然后在80℃硅油中以3~4 kV·mm-1极化20min,在空气中放置24h后测试其性能. 我们利用阻抗分析仪(Agilent 4294A)测试了陶瓷在100Hz, 10kHz和1MHz的介电温谱, 利用铁电分析仪(RT Premier II)测试其在10 Hz 下的电滞回线(P-E), 并利用中科院声学所的准静态压电测试仪(ZJ-3AN)测试其压电系数d33.2 结果与讨论利用X衍射仪对所制备陶瓷的结构进行了分析, 结果显示所制备的陶瓷无其他相存在, 均为在准同型相界的钙钛矿结构. 图2是BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.04KN陶瓷放大20000倍的SEM形貌图, 从图中可以看出BNBT-0.01KN晶粒最小,晶粒较为均匀, 致密度最好; BNBT-0.04KN晶粒最大, 致密度较差. 说明适量的KN可以细化晶粒,提高陶瓷的致密度, 从而提高压电性能, 但过量的含量会起相反的作用.对铁电体而言, 介电温谱是一种研究铁电体的相转变的有效手段, 图3为不同组分的陶瓷在频率100Hz, 10kHz, 1MHz时测试的介电温谱, 从图中可以看出, BNBT、BNBT-0.01KN、BNBT-0.02KN陶瓷存在3个介电异常. 第1个介电异常峰发生在温度Td处, 是由退极化引起的, 3个组分的陶瓷的Td分别在105, 85, 55℃附近, 引起退极化的原因争论较多, 如宏畴-微畴转变[13-14]以及铁电-反铁电转变[6,10]. 第2个介电异常发生在温度Ts处, 从图3可知, Ts对测试的频率依赖很大, 在100Hz和10 kHz测试下有明显的介电异常, 而在高频1MHz 下观察不到介电异常, 说明这是由于缺陷的响应跟不上测试频率的变化. 而这些缺陷的来源主要是由于在烧结过程中, 陶瓷组分中的铋、钠、钾元素挥发而引起的. 第3个介电峰发生在Tm处, 是由于铁电-顺电相转变引起的. 此外, 从图3还发现, 随着KN含量的增加, 3个介电异常峰向低温方向移动. 然而在BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷中,只观察到2个介电异常峰, 主要是由于第1个介电异常峰随着KN含量的增加, 向低温方向移动发生在室温以下, 所以在测量的温度范围内没有观察到介电异常.通过图3观察BNBT-xKN陶瓷在铁电-顺电相转变处的最大介电常数可以发现: 当x=0.01时, 最大相对介电常数达到5500; x≥0.02时, 随着x的增大相对介电常数逐渐减小; x=0.08时, 相对介电常数仅为3000. 根据缺陷化学可知, 引入的Nb5+占据ABO3型钙钛矿中B位的Ti4+, 导致了A位空位, 形成了带电Nb*Ti点缺陷, 由电价平衡原理还会导致A位空位形成点缺陷VA, 此外由于Na+, K+, Bi3+在烧结过程中易挥发, 会形成点缺陷VA'或(VA和V**. 按照无规电场的理论, 阴、阳离子空位组成无规电场, 将会引起晶格的局域应变, 并根据能量最低原理, 体系为了降低内应力, 将在晶体内部自发形成大量的纳米极性微区以减小体系的能量.少量的KN引入会增加极性微区的数量, 在居里温度时, 由于温度较高, 极性微区的活性增加, 所以少量的KN会增加陶瓷在居里温度的相对介电常数. 但是当较多的KN引入时, 陶瓷体内带电离子缺陷较多, 这会抑制极性微区的活性, 所以陶瓷在铁电-顺电相转变附近的介电常数会有所下降.对于正常的铁电材料, 当温度大于居里温度时, 介电常数和温度的关系满足居里-外斯定律:其中, C为居里-外斯常数; T为绝对温度; T0为居里温度. 为了描述铁电体在居里温度铁电-顺电转变的弥散度, Uchino[15]引入如下关系式来描述相转变的弥散度:式中,rε为T温度下的相对介电常数;cT为介电峰极大值maxε所对应的温度; γ为弥散性指数, 等于1时为正常铁电体, 等于2时为标准弛豫铁电体.图4为利用10KHz下的介电温谱数据, 通过(2)式拟合出来BNBT-xKN陶瓷的介电温谱曲线, 图中标出了不同KN含量时γ值的大小. 图4显示各个组分的γ值均>1, 在KN 含量为x=0.02时得到γ的最大值γ=1.93, KN含量为x=0.08时得到最小值γ=1.52, 从γ值可以知道少量的KN引入会增加居里温度处相转变的弥散性, 也即弛豫性增加.图5为不同组分陶瓷在室温的压电常数, 其显示少量KN能大大提高陶瓷的压电系数d33, BNBT-0.01KN的d33达到195pC·N-1, 然而BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷的d33值非常小, BNBT-0.08KN陶瓷d33只有18pC·N-1. 由于BNBT-0.04KN, BNBT-0.08KN陶瓷退极化温度在室温以下, 所以在室温测量BNBT-0.04KN、BNBT-0.08KN陶瓷的压电常数d33很小.图6 是压电陶瓷BNBT-xKN的各个组分在10 Hz交流电压测量的电滞回线, 从图可以看出随着KN含量逐渐加大, 电滞回线变得越来越窄, 越来越倾斜. 少量KN引入后, 在相同的极化场下, 极化强度随着KN的加入而增加, BNBT-0.01KN陶瓷的极化强度最大值达到27.8μC·cm-2. 当KN含量达到2%后, 最大极化强度逐渐减小, 在KN为8%时, 最大极化强度仅为10μC·cm-2, 矫顽场随着KN的加入而逐渐减小. BNBT陶瓷的电滞回线的方形度最好, 矫顽场为27kV·cm-1, 剩余极化强度为20 μC·cm-2. 随着KN的引入, BNBT-0.01KN陶瓷的电滞回线变成了类似反铁电体的双电滞回线. 图6还显示对于引入KN的陶瓷在室温就存在双电滞回线, 而BNBT陶瓷在室温并未观察到双电滞回线,但是在退极化温度附近可以观察到双电滞回线,出现双电滞回线的原因并不是如文献[6,8]中所述的因为BNT基陶瓷在Td处发生了所谓的铁电-反铁电相变. 我们认为在BNBT-xKN陶瓷中出现双电滞回线的原因, 主要是由于BNBT-xKN陶瓷中在一个较大温度范围内(Td附近Tc)非极性区与极性区共存, 理由如下: (1)类似双电滞回线的出现可以通过相变诱导出来, 而在测试电滞回线的过程中电场可以诱导出非极性相到极性相的转变; (2)从图3(a)~(c)可以发现介电温谱中的第1个介电异常处的退极化温度依赖于测试频率, 而铁电-反铁电相转变为一级相变, 相转变温度不依赖于测试频率; (3)图5显示, 在退极化温度Td以上陶瓷还有一定的压电性, 而铁电-反铁电转变后的反铁电陶瓷的压电性应当为零. 从图6还可以发现, 随着KN的引入, BNBT-xKN的极化强度越来越难达到饱和,主要是由如下原因引起的: (1)在室温下在ABO3钙钛矿结构的A位引入的K+和在B位引入Nb5+而形成非极性区域; (2) KN的引入会形成晶格缺陷, 在电场力的作用下这些缺陷会发生定向移动从而产生漏电流而难以饱和极化.3 结论(1) 通过传统的陶瓷制备方法制备出了纯钙钛矿结构的BNBT-xKN的陶瓷, x=0.01时陶瓷的晶粒较细, 晶粒度一致性较好, BNBT-0.01KN的压电系数达到195pC·N-1.(2) 随着掺杂KN的增加, 陶瓷的退极化温度Td以及居里温度Tc逐渐降低, 当x≥0.04时退极化温度降到了室温之下, d33急剧下降, KN含量的改变, 对陶瓷在铁电-顺电相变处的弛豫度, BNBT-0.02KN具有最大的弛豫度.(3) 陶瓷BNBT-xKN在温度Td处发生了极性区-非极性区的转变, 在陶瓷中一个较大的温度范围内极性区、非极性区共存, 极性区、非极性区共存导致了双电滞回线的出现.参考文献:[1] 肖定全. 压电、热释电与铁电材料[M]. 天津: 天津大学出版社. 2000.[2] 赁敦敏, 肖定拿, 朱建国, 等. 无铅压电陶瓷研究进展[J]. 压电与声光, 2003, 25(2):127-132.[3] Sasaki A, Chiba T, Mamiya Y, et a1. 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钛酸铋钠 超顺电
钛酸铋钠超顺电
钛酸铋钠是一种无铅压电陶瓷材料,具有超顺电特性。
它是一种复合离子型钙钛矿结构,室温条件下为三方晶系,具有优良的压电性能和铁电性能。
钛酸铋钠陶瓷的居里温度高、压电常数高、介电常数低、剩余极化强度大、机电耦合系数高、声学性能好、烧结温度低等特征,是一种重要的无铅压电陶瓷。
超顺电是指钛酸铋钠等铁电材料的一种特殊状态。
当钛酸铋钠处于超顺电状态时,其晶体结构中的正负电荷中心完全重合,呈现出对称性,具有铁电性。
此时,钛酸铋钠陶瓷的介电常数和电导率都非常低,压电性能和铁电性能也相应地优良。
钛酸铋钠陶瓷的超顺电特性使其在制造传感器、换能器、驱动器等产品时具有广泛的应用前景。
同时,由于其环保性能突出,被认为是锆钛酸铅陶瓷的重要替代产品之一。
然而,钛酸铋钠陶瓷也存在一些缺点,如铁电相区电导率偏高、室温下矫顽场较大、极化困难、高温极化易炸裂等,这些因素影响了其压电性能的进一步提升。
因此,目前钛酸铋钠陶瓷的应用范围仍受到一定限制。
掺杂三氧化二锑的钛酸铋钠钾陶瓷的显微结构和电学性能
万帅等:水基流延片式ZnO压敏电阻器低温共烧工艺及其性能・ 529 ・第40卷第4期掺杂三氧化二锑的钛酸铋钠钾陶瓷的显微结构和电学性能樊慧庆,邹敏江(凝固技术国家重点实验室,西北工业大学材料学院,西安 710072)摘要:采用固相合成工艺制备了(1–x)[0.82Bi0.5Na0.5TiO3–0.18Bi0.5K0.5TiO3]–x Sb2O3 (BNKT–x Sb)压电陶瓷,研究了Sb2O3掺杂对BNKT陶瓷的显微结构和电学性能的影响规律。
研究表明:Sb2O3掺杂量x小于0.020时,不改变基体的钙钛矿结构,且Sb具有可变化合价,能形成“施主”和“受主”2种掺杂而起到“软化”或“硬化”的作用。
当Sb2O3掺杂量x≤0.005时,其压电系数d33随Sb2O3掺杂量的增加而增大,此时Sb2O3表现出了“软化”的特征;当Sb2O3掺杂量x>0.005时,d33降低,从而又表现出了“硬化”的特性;当Sb2O3掺杂≥0.010时,诱使陶瓷室温下反铁电微畴的形成,导致铁电性和压电性的骤减。
关键词:压电陶瓷;三氧化二锑;钛酸铋钠;掺杂改性;显微结构;电学性能中图分类号:TB34 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2012)04–0529–05网络出版时间:DOI:网络出版地址:Microstructure and Electrical Properties of Antimony Trioxide Doped PotassiumSodium Bismuth Titanate CeramicsF AN Huiqing,ZOU Minjiang(State Key Laboratory of Solidification Processing, School of Materials Science and Engineering, NorthwesternPolytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract: (1–x)[0.82Bi0.5Na0.5TiO3–0.18Bi0.5K0.5TiO3]–x Sb2O3 (BNKT–x Sb) ceramics were prepared by a conventional solid-state solution technique. The influence of Sb2O3 additive on the microstructure and electrical properties of the BNKT–x Sb ceramics was investigated. The BNKT–x Sb ceramics appeared a pure perovskite structure in the whole range of Sb2O3 (x<0.020). Sb2O3 might act as a “donor” or an “acceptor” in this piezoelectric ceramics due to its variable valences, which could change the electrical properties to “soft” or “hard”. When x≤0.005, the piezoelectric coefficient (d33) of BNKT–x Sb increased with the increase of Sb2O3 content, which is a characteristic of the “soft” doping. On the contrary, a “hard” property was induced when x>0.005 at which d33 decreased again. The ferroelectric and piezoelectric properties of BNKT–x Sb ceramics changed when x≥0.010, which could be correlated to the formation of anti-ferroelectric micro-domains at room temperature.Key words: piezoelectric ceramics; antimony trioxide; bismuth sodium titanate; doping effect; microstructure; electrical property入微量添加物的方法来改进其性能。
无铅压电陶瓷钛酸铋钠驰豫铁电性
无铅压电陶瓷钛酸铋钠驰豫铁电性张寅【摘要】Sodium Bismuth Titanate Ceramics were synthesized by Metalorganic Decomposition Method (MOD). The result of X - ray diffraction (XRD) patterns showed the samples with good orientation and perovskite structure. We have used dielectric measure- ment and quantity method of 8, 3,and ATm to analysis relaxor behavior of NBT. The result showed that NBT is A -site substituted relaxor ferroelectrics with perovskite structure and complex phase transition process. Morphotropic phase boundary with rhombohed- ral phase and tetragonal phase together exists in a certain temperature range .%金属氧化物沉积法(MOD)成功地制备了Bi1/2Na1/2TiO3(NBT)基无铅压电陶瓷,样品的X射线衍射(XRD)结果显示其具有较好的结晶性,通过介电温度谱和介电弥散性指数8、介电临界指数γ和频率色散度ΔTm对样品的驰豫性质进行了定量研究,结果表明,NBT是一种A位取代的驰豫铁电体,它具有钙钛矿结构,以及极其复杂的相变过程,在一定的温度范围内可以得到三方和四方共存的准同型相界区。
【期刊名称】《齐鲁师范学院学报》【年(卷),期】2012(027)005【总页数】5页(P33-37)【关键词】钛酸铋钠;驰豫铁电体;准同型相界【作者】张寅【作者单位】齐鲁师范学院科研处,山东济南250013【正文语种】中文【中图分类】TM2821 引言钛酸铋钠(NBT)作为一种新型的无铅介电、压电材料备受广泛的重视。
钛酸铋钠陶瓷固溶nanbo3压电性能研究
Research研究探讨313 钛酸铋钠陶瓷固溶NaNbO₃压电性能研究王瑾崔巍王静宋姣姣(西安科技大学高新学院,陕西西安710109)中图分类号:G322 文献标识码:B 文章编号1007-6344(2019)10-0313-01摘要:Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)即钛酸铋钠是由Smolensky在1960年发现。
其是一种较强的电体,相当复杂,在室温下具有很强的剩余计划强度。
随着国内外对于无铅压电以及铁电材料的研究越来越深入;电子原件的片式化、集成化以及微型化使得这种材料在制作时方法多样化、粉体粒度纳米化以及材料组分多样化来提升性能。
关键词:钛酸铋钠;铌酸盐(NaNbO₃);压电性能;陶瓷性能NaNbO₃中介电常数成分较小,其电压性能普遍较高等兼容特点,可气缺存在烧结存在相对低的情况。
在本次实验中将存在铅成分的铌酸盐融入进陶瓷中。
经试验可得出,其成分较大的降低了陶瓷中铅的比重量。
并且对于环境污染的情况也大幅度的降低。
根据铅基陶瓷压电材料的研究显示,在铅基陶瓷中固溶适当比例的铌酸盐能够提高其本身的一些性能。
比如在PZT-xNN中,压电的常数可以达到696pC/N。
ANbO₃(A=Na)钙钛矿型化合物在实验中能够表现出很多特点,主要包括:居里温度在实验中较高,此外ANbO₃(A=Na)钙钛矿型化合物的压电性能较大。
NaNbO₃(铌酸钠)在常温情况中以单斜结构呈现,具有反铁电性质,是一种较为常见的钙钛矿结构化合物,其性能主要表现为a=0.3914nm、b=0.3881nm、c=0.3914nm、居里温度:640℃。
此外,NaNbO₃具有着较高程度的诱发铁电性。
本文在二元系钛酸铋钠陶瓷的基础上固溶反铁电体NaNbO₃组成A和B双位复合置换三元体系NKBT-NN,并加以系统的研究,分析出相结构、准同型相界组成的特征以及压铁压电的性能,寻求材料的组成来总结出材料对结构以及性能的作用。
1 NKBT-NN的陶瓷结构以及其电学性能分析1.1相组成及准同型相界特征的分析通过NKBT-NN陶瓷在室温下的XRD图谱我们可以看出。
钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研究
钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研究钛酸铋钠基类反铁电陶瓷的组成设计与低场储能性能研究摘要钛酸铋钠基类反铁电陶瓷(BNT-BT)是一种具有极高再极化温度和优异储能性能的材料。
本研究旨在通过组成设计和性能研究来优化BNT-BT材料的储能性能。
通过传统的固态反应法合成了一系列BNT-BT陶瓷样品,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)对样品进行了表征,基于P-E弛豫回线测试和储能性能分析,对BNT-BT材料的组成和低场储能性能进行了研究。
关键词:钛酸铋钠基类反铁电陶瓷,组成设计,低场储能性能,固态反应法,P-E弛豫回线1. 引言近年来,随着电子设备和电力系统的快速发展,对高性能储能材料的需求日益增加。
钛酸铋钠基类反铁电陶瓷作为一种具有很高储能密度和较低电致应变的材料,成为了储能领域的研究热点之一。
然而,尽管BNT-BT陶瓷材料已经取得了一定的进展,但其储能性能与商业化电容器还存在一定差距。
因此,通过组成设计和性能研究,进一步优化BNT-BT材料的性能,提高其低场储能性能具有重要意义。
2. 实验方法2.1 样品制备在本实验中,采用传统的固态反应法合成了一系列BNT-BT陶瓷样品。
将相应的氧化物粉末按照化学计量比例混合,并在1200°C进行煅烧。
通过调整BNT和BT的摩尔比例,得到不同组成的BNT-BT陶瓷样品。
2.2 样品表征通过X射线衍射(XRD)对样品进行表征,分析样品的晶体结构和相纯度。
通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)对样品的形貌和元素组成进行表征,分析样品的微观结构和组成。
2.3 性能测试通过P-E弛豫回线测试对样品的电致应变性能进行测试,通过储能性能分析对BNT-BT材料的储能密度和损耗因数进行测试,以评估其低场储能性能。
3. 结果与讨论通过XRD分析发现,所有样品均具有钙钛矿结构,并且样品中的杂质相相对较少。
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的制备工艺
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的制备工艺摘要:结合钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)的性质,介绍了钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3((BNT)的制备工艺。
关键词:钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3BNT)制备工艺压电陶瓷是一类极为重要的﹑世界各国竞相研究开发的功能材料,被广泛应用于通信﹑家电﹑航空﹑探测和计算机等诸多领域,是最重要的电子材料之一。
但是现在使用的压电陶瓷材料仍是含铅的,其中铅基压电陶瓷中氧化铅约占原材料总量的70%。
氧化铅是一种有毒物质。
因此,无铅压电陶瓷成为研究的热点。
Bi0.5Na0.5TiO3(缩写为BNT)具有铁电性强、压电常数较大、介电常数小、声学性能好等优良特性,且烧结温度较低,被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷材料体系之一[1]。
一、钛酸铋钠0.5Na0.5TiO3(BNT)的性质钛酸钡(BaTiO3)是最早发现的典型无铅压电材料,其居里温度较低,工作温度范围较窄,压电性能属于中等水平。
当前研究多集中在对钛酸钡进行深度改性,如BT-Nb2O5-Co3O4﹑BT-Nb2O5-ZnO﹑BT-Bi2O3-TiO2均具有平缓的电容量温度特性。
[2]研究表明,上述材料体系的平缓温度特性得益于陶瓷中形成的细晶结构或壳-芯(core-shell)结构[3,4]。
钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)是1960年Smolensky等[5]首次合成并发现的具有钙钛矿结构的铁电体,同时为A0.5A′0.5TiO3,是钛酸盐系列的典型代表。
BNT在室温下是三方铁电相,在230℃时经历弥散相变转变为反铁电相,在320℃转变为四方顺电相,520℃以上BNT为立方相。
BNT具有弛豫铁电体的特征,具有相对较大的剩余极化强度Pr(38μC/cm)﹑压电系数大(kt,kp约50%)﹑介电系数小(240~340)﹑声学性能好(其频率常数Np=3200Hz?m)和极高的矫顽场(7.5kV/mm)。
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Journal of Physics and Chemistry of Solids67(2006)1803–1808Modification of dielectric relaxations in sodium bismuthtitanate with samarium dopingM.Raghavender,G.S.Kumar,G.PrasadÃDepartment of Physics,Osmania University,Hyderabad500007,IndiaReceived28December2005;received in revised form14March2006;accepted6April2006AbstractNa0.5Bi(0.5Àx)Sm x TiO3(NBST)ceramics with x¼0:05,0.1,and0.15are prepared through chemical route.The X-ray diffraction studies confirmed the formation of single phase.Dielectric measurements in the temperature region ranging from room temperature ($301C)to6001C at different frequencies(10kHz–1MHz)showed anomalies at130,306,and4741C(at10kHz frequency)for x¼0:05 sample.Other samples showed only two peaks.To establish the electrical nature of these relaxations,impedance measurements are done at different temperatures and frequencies.The relaxation time,obtained from both impedance and modulus data,is found to decrease with increase in temperature.The relaxations observed are of non-Debye type.Increase in samarium content increases the activation energy for relaxation.r2006Elsevier Ltd.All rights reserved.Keywords:A.Ceramic;B.Chemical synthesis;D.Dielectric properties;D.Ferroelectricity;D.Electrical properties1.IntroductionSodium bismuth titanate Na1=2Bi1=2TiO3(NBT)is arelaxor ferroelectric material with the general formulaA0xA001ÀxBO3.Smolensky et al.[1]havefirst reportedferroelectricity in sodium bismuth titanate.The ferroelec-tricity in NBT ceramic is attributed to(Bi1/2Na1/2)2+ions,especially Bi3+ions at the‘A’site of the perovskitestructure(ABO3)and due to rhombohedral symmetrybelow2001C.NBT is considered to be one of the excellentcandidates among lead-free piezoelectric materials and itsremanent polarization(P r)is38m C/cm2and coercivefield(E c)is73kV/cm at room temperature.It has high Curietemperature(T c¼3201C),and shows diffuse phasetransition(DPT)[1].In addition to the DPT,two morephase transitions were reported at2301C and betweentemperature range500–6001C.The peculiar phase transi-tions behavior of NBT has attracted considerable attentionof the investigators to examine the different dielectricanomalies and electrical state of each phase[2,3].Hong et al.[4]suggested that the intermediate phase is amixture of rhombohedral micropolar and tetragonalnonpolar matrix.Phase transition in NBT is an exceptionalcase of ferroelectric phase transition in that,the pointgroup of ferroelectric phase is not a subgroup of a highertemperature paraelectric phase.Tu et al.[5]described thepeculiarity of NBT phase transition between200and3001C in the context of incommensurate polar2commen-surate polar phase transition with increasing temperature.They suggested that the size of the incommensurate phaseto be of the order of nanometers,accounting for thestructural disparity between the incommensurate phasewith low symmetry and the ordered rhombohedral totetragonal matrix.Zvirgzds et al.[6]employedfixed frequency permittivitymeasurements to determine whether the tetragonal poly-morph is polar or non-polar.High temperature,fixed-frequency dielectric measurements reported on NBT‘revealed’a peak maximum in permittivity data at,450–5401C.This dielectric anomaly was related to atetragonal to cubic phase transition known to occur inNBT,from X-ray diffraction(XRD)and differentialscanning calorimetry(DSC)measurements at5401C.This/locate/jpcs0022-3697/$-see front matter r2006Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.jpcs.2006.04.004ÃCorresponding author.E-mail address:guduru_p@(G.Prasad).led Zvirgzds et al.[6]to postulate,on the basis offixed-frequency electrical data,that the tetragonal polymorph is polar.East and Sinclair[7]characterized the NBT using electric modulus spectroscopy.Their results demonstrate that the bulk permittivity of NBT decreases smoothly above3201C and does not show the presence of any anomaly in the region450–5401C as has been reported.Different dielectric anomaly studies reported different types of results.Most of the contradictions concern the number(two or three peaks in‘e’versus temperature plots)and location of different phases as well as the electrical state in each phase. Compositional modifications of NBT using dopant have attracted more interest,for only a small amount of dopant may modify the properties of NBT significantly.Recently lanthanum(La)was chosen to be a modifier in NBT system at A-site[8–10]and also at A and B sites simultaneously [11].Herabut et al.[8]reported that the La-doped NBT results in enhancing its electrical properties due to super-paraelectric cluster polarization reorientation.Hence samarium(Sm)doping can influence the polar phases present in NBT at high temperatures.This paper presents the impedance spectroscopy studies of polycrystal-line Sm-doped NBT ceramics.The data is analysed in terms of complex impedance(Z*)or electrical modulus (M*)formalism,which help in eliminating stray frequency effects and determine the conductivity for comparative purposes.The electrical impedance formalism can be used to investigate the relaxations of defect species and the dielectric behaviour.This may provide an insight into polar phase transitions in the samples,especially the transitions present in the temperature region450–5501C.2.ExperimentalPolycrystalline samples of Na0.5Bi(0.5Àx)Sm x TiO3 (NBST)with x¼0:05,0.1,and0.15(NBST1,NBST2, and NBST3,respectively)were prepared through chemical route[12].The stoichiometric amounts of Na2CO3and Sm2O3were taken and converted to their respective nitrates by adding nitric acid solution.Bi(NO3)3Á5H2O was added along with TiO2to the above solutions.The entire mixture was slowly heated on a hot plate and citric acid was added. The pH was adjusted between6and7by adding dilute ammonium hydroxide solution.Ethylene glycol was added and heated over the temperature160–1801C to get the gel. The gel was heated to obtain the precursor.This precursor was heated at8001C for2h.The resultant powder was crushed and pressed in the form of pellets using polyvinyl alcohol as the binder.The pellets werefinally sintered at the temperature11501C for2h.Phase confirmation was done through XRD(Model Philips-PW3040/60,X’pert PRO Analytical).The silver paste was used as an electrode material on large area faces for electrical measurements. The samples were electrically poled by applying a constant DCfield of30kV/cm at1501C and allowed to cool rapidly to room temperature in the presence of thefield.Dielectric measurements were performed(using HP4192A Impe-dance Analyzer)in the frequency range of10kHz–1MHz from room temperature($301C)to6001C.The impedance properties were measured as a function of frequency ranging from500Hz to1MHz and at different tempera-tures from room temperature($301C)to6001C.The data acquisition is automated with a PC interfaced to the instrument.3.Results and discussionFig.1shows the powder X-ray diffraction(XRD) patterns of NBST samples.The powder XRD is indexed on the basis rhombohedral structure(JCPDS File:36-340). From the XRD pattern obtained the formation of single phase was confirmed.The lattice parameters were calcu-lated and tabulated in Table1.With the increase of samarium concentration the lattice parameters show a tendency to decrease.All the samples prepared have about 90%of X-ray(theoretical)density when compared with the experimental density.Fig.2shows the dielectric constant as a function of temperature at different frequencies.We can observe three peaks in dielectric constant plots of NBST1samples.In contrast to other studies[7],we observe dielectric anomaly between450and5501C.The peak temperatures are at130, 306and4741C at10kHz frequency for NBST1sample. The peak temperatures T1,T2and T3of all the samples are summarized in Table2and are found to be frequency dependent.With the increase of frequency,dielectricFig.1.X-ray diffractograms of(a)NBST1,(b)NBST2,and(c)NBST3. Table1Lattice parameters and percentage of density of NBST ceramics Sample Lattice parameters%Of densitya(A)a(deg)NBT a 3.98590.2491.9NBST1 3.88289.8989.5NBST2 3.88089.8091.2NBST3 3.86090.0192.3a After Aparna et al.[13].M.Raghavender et al./Journal of Physics and Chemistry of Solids67(2006)1803–1808 1804constant values have decreased and this decrease is more prominent for4741C peak for NBST1.The dielectric loss (Fig.3)also followed similar behavior as that of dielectric constant in general.However,at low frequencies and for temperature above4001C,the dielectric loss was found to increase with the increase of temperature.The low-temperature dielectric loss values are relatively small (approx10À2)and vary little with temperature.Increase of samarium concentration has resulted in decrease of dielectric constant and loss values in general.The peak at1301C observed for NBST1sample could not be recorded clearly for NBST2and NBST3samples.However,the peak at3061C of NBST1sample is found to be less pronounced in NBST2and NBST3samples and the peak of4741C has been observed at high temperatures,i.e. 546and5011C for NBST2and NBST3,respectively.For NBST3sample,for high frequency,there is a shoulder in high-temperature region of dielectric loss curves.Curie–Weiss law could not befit to the high-temperature peak of the samples.However,these peaks follow modified Curie–Weiss law of diffuse phase transition(DPT).Similar behavior was reported for pure NBT samples earlier[5]. Fixed-frequency permittivity measurements at lower frequencies become increasingly dominated at elevatedFig.2.Variation of dielectric constant with temperature of(a)NBST1,(b)NBST2,and(c)NBST3samples.Table2Dielectric peak temperatures(in1C)of NBST ceramicsFrequency NBST1NBST2NBST3T1T2T3T1T2T3T1T2T3 10kHz130306474—305546—308501 50kHz130295457—302530—302476 100kHz131296446—300525—301457 500kHz136290——299525—300450 1MHz137290——297527—297451 M.Raghavender et al./Journal of Physics and Chemistry of Solids67(2006)1803–18081805temperatures by nonbulk,high polarization processes,such as sample/electrode contact effects.Measuring the a.c.response over a wide frequency range,e.g.10À2–107Hz,as opposed to a single frequency measurements can avoid such problems and ensure that reliable bulk characteristics,i.e.permittivity and conductivity values,can be obtained,especially at elevated temperatures.Also the modulus spectra along with impedance spectra can give additional information about the electrical nature of the phase transitions in the sample.The electric modulus,M üM 0þjM 00and complex permittivity formalisms,e *are related through e ü1=M Ã[14].The electric modulus formalism is dominated by small capacitance values and is therefore very sensitive to the intra-granular component of ceramic materials such as bulk capacitance (C bulk ),grain boundary capacitance (C gb ),and electrode capacitance (C el )[15].The intra-granular response of a dielectric material is normally modelled on an equivalent circuit consisting of an ideal resistor and capacitor connected in parallel.In general,a parallel resistor–capacitor (RC)element gives rise to a semicircle in the M *complex plane and a Debye peak in the spectroscopic plot of M 00against log f .At theM 00peak maximum,M 00max ¼1=2e o e00where e o is the permittivity of free space and o max RC ¼1.The heightand peak position of M 00spectra can therefore be used to calculate bulk permittivities and resistivities in poly-crystalline ceramics.The use of M 00spectroscopic plots to estimate bulk resistivities in ceramic materials,as opposed to the more conventional complex impedance plane plots (Z 0and Z 00),has been used for characterizing ceramic materials where the total resistivity is dominated by resistive grain boundaries [16].Since samarium doping can effect the grain boundary capacitance and conduc-tance.In the present study,these plots are used for electrical characterization of high temperature dielectric peaks.Fig.4(a)–(c)shows the variation of imaginary part of impedance (Z 00)and electric modulus (M 00)between 525and 6001C as a function of frequency for NBST1,NBST2,and NBST3samples,respectively.With the increase of frequency Z 00and M 00values initially increase then reach a maximum value,further increase of frequency decreases this value and the M 00values increases again.At the higher-frequency side all curves merge.With increasing tempera-ture the peak value shifts to higher frequency side and peak becomes broader.The peak frequency for M 00curves lie between 3Â104and 4Â105Hz.The M 00and Z 00peaks areFig.3.Variation of dielectric loss with temperature of (a)NBST1,(b)NBST2,and (c)NBST3samples.M.Raghavender et al./Journal of Physics and Chemistry of Solids 67(2006)1803–18081806not coincident and there is no evidence of any additional peaks at higher frequency side in the Z00spectrum.In the temperature between525and6001C the peak width at half maxima of Z00and M00curves is more than a decade indicating non-Debye relaxation behavior[16].This non-Debye relaxation behavior may be due to the distribution of relaxation times.Distribution of relaxation may be present in the sample due to the existence of the multiple polar phases in the sample.The peak frequency difference is found to decrease with the increase of samarium concentration.If a ceramic is well sintered,typically95%of X-ray (theoretical)density,and the bulk component is electrically homogeneous,then a single M00Debye peak width at half maxima approaching the theoretical value of1.14decades on a log frequency scale should be observed.Conversely,if a sample is poorly sintered and/or the bulk component is electrically inhomogeneous then M00spectra can contain two,overlapping M00Debye peaks or a single,asymmetric and significantly broadened peak with peak width at half maxima in excess of2decades on a log frequency scale[16]. The peak width at half maxima of the present system of samples varies from1.2to1.5.It is worth noting that M00spectra should only be employed to determine bulk dielectric characteristics if the response is Debye-like,i.e.the peak width at half maxima of M00is E1.14decades on a log frequency scale.When analyzing samples that show non-Debye-like responses,i.e. presence of significant M00peak broadening due to electrical inhomogeneities or the presence of a grain boundary component,then electric modulus complex plane plots should be employed[16,17]The plots of log t(‘t’is inverse of peak frequency)as a function of inverse of temperature show linear variation (figure not presented).The relaxation times,obtained from both impedance and modulus data,of dipoles is found to decrease with increase in temperature.The calculated activation energy for relaxation lies between 1.3and 1.6eV for all the samples.Increase in samarium content increases the activation energy for relaxation.M00spectra can be used to estimate bulk resistivities using the relationship o max RC¼1.log(s ac)versus103/T plot for NBST1sample is shown in Fig.5.This material is an electrical insulator,which obeys the Arrhenius law.The activation energy for conduction in high-temperature region lies between1.01and0.45eV.Conductivity plot clearly shows the kink around500–5101C for NBST1 sample.This kink correlates with dielectric data as an anomaly.4.ConclusionsIn conclusion,the present results indicate that there is an anomaly in dielectric properties of Sm-doped NBT in the temperature range of4501C–5501C.This peak corre-sponds to a broad shoulder in dielectric loss curves of NBST3samples.The impedance data indicates that the relaxations in the samples are due to the presence of polarizing species.The polarizing charges give non-Debye relaxations and contribute to grain boundary capacitance and conductance.The increase of samarium content results in disappearance of1301C peak of dielectric properties and brings out high-temperature polarization peak clearly.Fig.4.Variation of M00and Z00with frequency at different temperatures of(a)NBST1,(b)NBST2,and(c)NBST3samples(closed symbols are for M00).M.Raghavender et al./Journal of Physics and Chemistry of Solids67(2006)1803–18081807AcknowledgementsThe authors thank DRDO,India for financial support.One of the authors M.R.thanks to Prof S.V.Suryanarayanaand Prof.T.Bhimasankaram for their constant encourage-ment.The author M.R.also thanks Dr.M.Vithal,Department of Chemistry,Osmania University,Hydera-bad,India,for the facilities provided in the preparation of these samples through chemical route.References[1]G.A.Smolensky,V.A.Isupov,A.I.Agranovskaya,N.N.Krainik,Sov.Phys.Solid State 2(1961)2651.[2]J.Suchanicz,K.Poleder,A.Kania,J.Handerek,Ferroelectrics 77(1988)107.[3]T.V.Kruzina,V.V.Gene,V.A.Isupov,E.V.Sinyakov,Sov.Phys.Crystallogr.26(1981)482.[4]K.S.Hong,S.E.Park,J.Appl.Phys.79(1996)388.[5]C.-S.Tu,I.G.Siny,V.H.Schmidt,Phys.Rev.B 49(1994)11550.[6]J.V.Zvirgzds,P.P.Kapostins,J.V.Zvirgzde,Phys.Rev.B 40(1982)75.[7]J.East,D.C.Sinclair,J.Mater.Sci.Lett.16(1997)422.[8]A.Herabut,A.Safari,J.Am.Ceram.Soc.80(11)(1997)2954.[9]M.Aparna,T.Bhimasankaram,G.S.Kumar,G.Prasad,Mod.Phys.Lett.B 16(26)(2002)1007.[10]M.Aparna,G.S.Kumar,G.Prasad,Ferroelectrics 324(2005)63.[11]J.Yun Yi,J.-K.Lee,K.-S.Hong,J.Am.Ceram.Soc.85(12)(2002)3004.[12]H.Lee,M.Hong,S.Bae,H.Lee,E.Park,K.Kim,J.Mater.Chem.13(2003)2626.[13]M.Aparna,T.Bhimasankaram,G.S.Kumar,G.Prasad,Mod.Phys.Lett.B 16(26)(2002)1007.[14]J.Ross Macdonald,Impedance Spectroscopy Emphasizing SolidMaterials and Systems,Wiley,New York,1987(Chapter 1).[15]J.T.S.Irvine,D.C.Sinclair,A.R.West,Adv.Mater.2(1990)132.[16]D.C.Sinclair,A.R.West,J.Appl.Phys.66(1989)3850.[17]N.Hirose,A.R.West,J.Am.Ceram.Soc.79(1996)1633.Fig.5.Arrhenius plot for NBST1sample.M.Raghavender et al./Journal of Physics and Chemistry of Solids 67(2006)1803–18081808。