Uticaj parametara sinteze i strukture na električna svojstva Ba0,77Sr0,23TiO3 keramike

Abstract

Rezultati istraživanja u oblasti elektronske keramike u najvećoj meri direktno zavise od poznavanja procesa konsolidacije (presovanje i sinterovanje) keramičkih prahova, što, posmatrano sa gledišta poimanja prirode, ukazuje na univerzalnost ovoga procesa. Razvoj savremenih keramičkih materijala omogućen je zahvaljujući multidisciplitarnom proučavanju i doprinosu istraživanja u različitim oblastima kao što su nauka o materijalima, fizika, hemija i elektronika. Rezultati naučnog i tehnološkog istraživanja objavljuju se u različitim naučnim publikacijama, što je izraz velikog značaja elektronske keramike u savremenoj tehnici. Prema aktuelnim naučnim istraživanjima koja se odnose na projektovanje i razvoj novih elektronskih keramičkih komponenti (izolatorska, termistorska, elektrooptička, piezoelektrična keramika, memorijski uređaji na bazi feroelektrične keramike itd.), BST keramika kao i jedinjenja sa strukturom perovskita su od posebnog interesa. Kondenzatorska keramika na bazi BST obuhvata: visokofrekventne kondenzatore (promenljivi, nelinearni kondenzatori čija se električna kapacitivnost jako menja sa promenom primenjenog napona), višeslojne kondenzatore sa relativnom dielektričnom konstantom εr (1-15)·103 (zastupljene u tehnologiji debeloslojnih hibridnih kola), čip-kondenzatore sa barijernim slojem kod kojih je εr (20-80)·103, itd. U okviru ove grupe materijala, višeslojni keramički kondenzatori (MLCCs - Multi Layer Ceramic Capacitor) su već duže vreme jedan od najvažnijih i široko korišćenih pasivnih komponenti u elektronskoj industriji. Takođe, BST je široko proučavan i razvijan za potencijalnu primenu u dinamičkim «random access» memorijama i u NVRAM uređajima sa nedestruktivnom modom očitavanja. Tanki filmovi BST pokazuju prednosti u nizu primena, kako u memorijskim elementima u NVRAM i DRAM uređajima (u kompjuterima, mobilnim telefonima, digitalnim kamerama, MP3 plejerima i mnoštvu drugih portabl uređaja), tako i u elektrooptičkim prekidačima, optičkim talasovodima, piroelektričnim detektorima, optičkim modulatorima, itd. Barijum-stroncijum-titanat, Ba1-xSrxTiO3, (BST) je feroelektrični materijal sa tetragonalnom strukturom na sobnoj temperaturi za x<0,3, koji ima perovskitnu strukturu (ABO3). BST je čvrst rastvor sastavljen od titanata, barijum-titanata (BaTiO3) i stroncijum-titanata (SrTiO3). BaTiO3 je feroelektrični materijal sa Kirijevom temperaturom (Tc =393K), dok je SrTiO3 paraelektrični materijal sa neferoelektričnim faznim transformacijama kod koga je Kiri temperatura (Tc =105K). Na sobnoj temperaturi za sistem čvrstog rastvora u feroelektričnoj fazi sadržaj Ba je u opsegu od 0,7 do 1,0; dok je sadržaj Ba u paraelektričnoj fazi manji od 0,7. Kirijeva temperatura BST linearno opada sa povećanjem koncentracije Sr. Zbog toga Kiri temperatura BST a samim tim i njene osobine mogu biti prilagođene širokom opsegu da bi se zadovoljili zahtevi različitih primena. Ova vrsta fleksibilnosti osobina a samim tim i potencijalni opseg primene nije prisutan kod konvencionalne feroelektrične keramike. Postoji nekoliko različitih metoda za sintezu praha Ba1-xSrxTiO3, bilo suvom ili mokrom hemijskom sintezom. Prva grupa metoda zasnovanih na reakcijama u čvrstom stanju, su i najčešće metode za dobijanje BST dok su u drugoj grupi ko-precipitacija, sprej piroliza i neke sol-gel tehnike. Među njima su i hidrotermalne tehnike koje predstavljaju komercijalan način za dobijanje datog materijala. Svaka od ovih metoda ima svoje prednosti i mane. Neke od tih prednosti su dobijanje superfinog praha visoke čistoće i nizak stepen aglomeracije, dok su nedostaci visoka temperatura kalcinacije (od 1000oC do 1200oC), zatim korišćenje veće količine početnog praha, velika veličina zrna zbog čega se ne mogu koristiti za dobijanje materijala sa velikom dielektričnom konstantom. U skorije vreme u cilju sniženja temperature kalcinacije i dobijanja materijala definisane mikrostrukture, sve više se koristi i metoda mehaničke aktivacije. Cilj ovog rada je da pokaže uticaj mehaničke aktivacije i režima sinterovanja na promenu strukture i električna svojstva BST keramike. Na osnovu detaljne analize temperaturske zavisnosti, realne dielektrične propustljivosti i tangensa ugla gubitaka, kao i uticaja mehaničke aktivacije na promenu frekventnih karakteristika biće definisani optimalni tehnološki parametri za dobijanje Ba0,77Sr0,23TiO3 keramike unapređenih električnih karakteristika.