Lead-Free Ferroelectric Materials based on BiFeO3 and Bi0.5K0.5TiO3

Abstract

Blyfrie ferroelektriske materialer basert på BiFeO3 og Bi0.5K0.5TiO3

Ferroelektriske materialer finnes i dag i nesten all elektronikk, inkludert forbrukerelektronikk, som for eksempel blekk-printere, mobiltelefoner og PCer. Det vanligste ferroelektriske materialet i dag inneholder bly som kan utgjøre en fare for helse og miljø ved utslipp i naturen. Forskningsmiljøer over hele verden har lenge jobbet med å utvikle miljøvennlige bly-frie alternativer, men egenskapene er fortsatt ikke gode nok til å erstatte blyholdige ferroelektriske materialer. Denne doktoravhandlingen omhandler i hovedsak hvordan gitterdefekter i en type bly-frie ferroelektriske materialer påvirker viktige materialegenskaper. Ferroelektriske materialer er keramer der ulike ioner (positivt og negativt ladede atomer) er ordnet i en krystallstruktur. På enkelte steder i krystallgitteret kan det imidlertid mangle et ion (gitterdefekt). Disse gitterdefektene dannes under fremstilling av materialet og kan påvirke omkringliggende ioner. Dette er svært ødeleggende for praktisk utnyttelse av enkelte lovende bly-frie ferroelektriske materialer.

I denne oppgaven ble hvilke typer gitterdefekter som finnes i materialene bestemt ved å måle den elektriske ledningsevnen ved ulike temperaturer og i ulike atmosfærer (ren oksygen, luft og ren nitrogen). Forsøkene viste at ledningsevnen i de undersøkte materialene kan minimeres ved i) riktig valg av temperatur og atmosfære ved fremstilling og; ii) små variasjoner av materialenes kjemiske sammensetning. Lav elektrisk ledningsevne er svært viktig for anvendelse av ferroelektriske materialer. Videre ble effekten av å variere konsentrasjon og romlig distribusjon av gitterdefektene undersøkt ved å påføre en mekanisk belastning og måle deformasjon. Disse eksperimentene har aldri tidligere blitt gjort på denne typen materialer. Til slutt ble det vist at fremstillingsmetoden for bly-frie materialer kan spille en viktig rolle for egenskapene til det produserte materialet.

Resultatene i denne doktoravhandlingen har demonstrert den komplekse sammenhengen mellom temperatur, atmosfære, gitterdefekter og ferroelektrisk yteevne. Det er første gang en slik systematisk kartlegging er gjort på denne typen blyfrie ferroelektriske materialer. Avhandlingen bidrar med innsikt og svært viktig kunnskap for videreutvikling av de undersøkte materialene spesielt, men også for bly-frie ferroelektriske materialer generelt.