Dielectric and piezoelectric properties of barium calcium zirconate titanate ceramics

Abstract

Det ferroelektriske systemet barium calcium zirconate titanate er av høy interesse for bruk i industrielle applikasjoner på grunn av eksepsjonelt høye piezoelektriske koeffisienter. Videre så utgjør det et interessant system for fundamentale studier siden det kan ha opp til fire forskjellige krystallsystem i et relativt lite temperaturintervall, fra 25 °C til 100 °C. Denne fleksibiliteten i krystallstruktur er diskutert som opprinnelsen til de eksepsjonelle egenskapene til dette systemet.

I denne masteroppgaven undersøkes forholdet mellom krystallografisk fase, temperatur og de dielektriske og piezoelektriske egenskapene. Den keramiske komposisjonen (Ba0.88Ca0.12)(Ti0.88Zr0.12)O3 er kjent for å transformere fra rhombohedrisk til orthorhombisk til tetragonal til kubisk ved oppvarming fra 25 °C til 73 °C. Dette gjør materialet egnet til å kunne studere innvirkningen av krystallstruktur på de dielektriske og piezoelektriske egenskapene. Kun temperaturen er endret, mens alle andre materialparametere som kornmorfologi og porositet, som kan påvirke de totale ferroelektriske egenskapene, er holdt konstante.

Arbeidet inkluderer produksjon av bulk keramikk av den gitte komposisjonen via faststoffreaksjon syntese. Krystallstrukturen, og dens endringer med økende temperatur, er undersøkt via røntgendiffrakson. Elektrisk karakterisering er gjennomført via impedansspektroskopi og ved bruk av et piezoelektrisk testsystem. Temperaturavhengige permittivitetkurver er målt i det samme temperaturintervallet som røntgendiffraksjonseksperimentet. Dette gjør det mulig å sammenligne krystallstruktur med de dielektriske og piezoelektriske egenskapene.

Basert på flere forskjellige målinger ble det funnet at de dielektriske og piezoelektriske egenskapene til polykrystallinske keramet er høyst avhengig av både krystallsymmetri og temperatur. Som forventet, ble de høyeste piezoelektriske koeffisientene målt med økende tetragonal faseinnhold, nær en fasetransformasjon.

The ferroelectric system barium calcium zirconate titanate is of high interest for use in industrial applications, due to its exceptionally high piezoelectric coefficients. Furthermore, it provides an interesting system for fundamental studies since it can have up to four different crystallographic systems within a relatively narrow temperature range, from 25 °C to 100 °C. This flexibility in crystal structure is discussed as the origin of the exceptional properties of this system.

In this master thesis, the relationship between crystallographic phase and the dielectric and piezoelectric properties are investigated. The ceramic composition (Ba0.88Ca0.12)(Ti0.88Zr0.12)O3 is known to transform from rhombohedral to orthorhombic to tetragonal to cubic upon heating from 25 °C to 73 °C. This makes it a suitable material for studying the impact of crystallographic phase on the dielectric and piezoelectric properties. Only the temperature is varied, whereas all material parameters such as grain morphology and porosity, which can influence the overall ferroelectric properties, are maintained constant.

The work includes production of bulk ceramics of the given composition via the solid-state synthesis route. The crystal structure and its changes with increasing temperature is examined via powder X-ray diffraction. Electric characterization is performed via DC-dependent impedance spectroscopy and by use of a piezoelectric testing system. Temperature-dependent permittivity curves are recorded in the same temperature range as covered by the X-ray diffraction experiment. This allows comparison of the crystal structure and dielectric and piezoelectric properties.

Based on different measurements, it has been found that the dielectric and piezoelectric properties of the polycrystalline ceramic are strongly dependent of both crystal symmetry and temperature. As expected, the highest piezoelectric coefficients were measured with increasing tetragonal phase content, in vicinity to a phase transition.