Synthesis and Characterization of Lead-free Ferroelectric Tetragonal Tungsten Bronzes

Abstract

Faststoffløsningen mellom de to blyfrie keramiske materialene med tetragonal wolframbronse-struktur, Ba4Na2Nb10O30 (BNN) og K4Bi2Nb10O30 (KBiN), ble studert. Studiens mål var å lete etter en morfotropisk faseovergang. Sluttmedlemmene og fire forskjellige faststoffløsninger ble syntetisert via en standard sintringsmetode og oppnådde en relativ tetthet over 90 %. Mikrostrukturen ble undersøkt ved hjelp av et elektronmikroskop. Røntgendiffraksjon ble brukt for å undersøke krystallstruktur og utviklingen til gitterkonstantene ble funnet ved hjelp av Pawley-raffinering. Dielektrisk spektroskopi ble brukt for å måle dielektrisk permittivitet som en funksjon av temperatur og frekvens. De dielektriske dataene viste at den kritiske temperaturen synker med økt blandingsforhold av endefasene. I tillegg har faststoffløsningene som er rike på KBiN brede dielektriske topper som er typisk for relaxor-oppførsel, og Uchino-analyse støtter denne observasjonen. Basert på økt dielektrisk permittivitet og en betydelig endring i både a- og c-gitterkonstantene, foreslås en morfotropisk faseovergang ved en sammensetning på 0.6BNN-0.4KBiN.

The solid solution between the lead-free ceramic materials Ba4Na2Nb10O30 (BNN) and K4Bi2Nb10O30 (KBiN), with the tetragonal tungsten bronze structure, has been studied. The aim of the research was to look for a morphotropic phase boundary (MPB). The end members and four different ceramic solid solutions with a relative density above 90 % were made through a conventional solid-state synthesis method. The microstructure of the samples was imaged with a scanning electron microscope. X-ray diffraction was used to study the crystal structure and Pawley refinement was applied to find the evolution of the lattice parameters. Dielectric spectroscopy was used to measure the dielectric permittivity as a function of temperature and frequency. The dielectric data showed that the critical temperature decreases with increased mixing of the end members. In addition, the KBiN rich samples of the solid solution have broad dielectric peaks typical of relaxor behaviour and Uchino analysis supports this observation. Based on enhanced dielectric permittivity and a significant change in both the a and c lattice parameters, a MPB is proposed to exist in the solid solution at a composition of 0.6BNN-0.4KBiN.