Синтез, микроструктура и диэлектрические свойства модифицированной керамики на основе твердых растворов (K0.5Na0.5)NbO3–SrZrO3

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методом твердофазного синтеза получены однофазные керамические образцы новых составов (1−x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSrZrO3 (x = 0–0.15), модифицированные добавкой 2 мас. % ZnO, и изучены их кристаллическая структура, микроструктура, диэлектрические и нелинейные оптические свойства. В модифицированных образцах установлено формирование фазы со структурой перовскита с псевдокубической элементарной ячейкой. Выявлено уменьшение среднего размера кристаллитов (областей когерентного рассеяния) от 91 до 54 нм. Сегнетоэлектрические фазовые переходы подтверждены методом диэлектрической спектроскопии. Выявлено понижение температуры фазовых переходов и ослабление нелинейных оптических свойств по мере увеличения содержания цирконата стронция в образцах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. М. Калева

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, ул. Косыгина, 4, Москва, 119991

Е. Д. Политова

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова Российской академии наук

Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, ул. Косыгина, 4, Москва, 119991

С. А. Иванов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

А. В. Мосунов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

С. Ю. Стефанович

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Н. В. Садовская

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: galina_kaleva@mail.ru
Россия, Ленинский пр., 59, Москва, 119333

Список литературы

  1. Valant M. Electrocaloric Materials for Future Solid-State Rfrigeration Technologies // Progr. Mater. Sci. 2012. V. 57. P. 980–1009. https://doi.org/:10.1016/j.pmatsci.2012.02.001
  2. Bai Y., Han X., Ding K., Qiao L. Electrocaloric Refrigeration Cycles with Large Cooling Capacity in Barium Titanate Ceramics near Room Temperature // Energy Technol. 2017. V. 5. P. 703–707. https://doi.org/10.1002/ente.201600456
  3. Ozbolt M., Kitanovski A., Tusek J., Poredos A. Electrocaloric Refrigeration: Thermodynamics, State of the Art and Future Perspectives // Int. J. Refrig. 2014. V. 40. P. 174–188. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.11.007
  4. Lu S.-G., Zhang Q. Electrocaloric Materials for Solid-State Refrigeration // Adv. Mater. 2009. V. 21. P. 1983–1987. https://doi.org/10.1002/adma.200802902
  5. Axelsson A.-K., Goupil F. Le, Valant M., Alford N.M. Electrocaloric Effect in Lead-Free Aurivillius Relaxor Ferroelectric Ceramics // Acta Mater. 2017. V. 124. P. 120–126. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.11.001
  6. Weyland F., Acosta M., Koruza J., Breckner P., Rödel J., Novak N. Criticality: Concept to Enhance the Piezoelectric and Electrocaloric Properties of Ferroelectrics // Adv. Funct. Mater. 2016. V. 26. P. 7326–7333. https://doi.org/10.1002/adfm.201602368
  7. Mischenko A.S., Zhang Q., Scott J.F., Whatmore R.W., Mathur N.D. Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr 0.95 Ti 0.05 O 3 // Science. 2006. V. 311. P. 1270–1271. https://doi.org/10.1126/science.1123811
  8. Suchaneck G., Gerlach G. Lead-Free Relaxor Ferroelectrics for Eelectrocaloric Cooling // Mater. Today: Proceed. 2016. V. 3. P. 622–631. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.01.100
  9. Grünebohm A., Ma Y.B., Marathe M., Xu B.X., Albe K., Kalcher C., Meyer K.C., Shvartsman V.V., Lupascu D.C., Ederer C. Origins of the Inverse Electrocaloric Effect // Energy Technol. 2018. V. 6. P. 1491–1511. https://doi.org/10.1002/ente.201800166
  10. Samantaray K.S., Amin R., Rini E., Bhaumik I., Mekki A., Harrabi K., Sen S. Defect Dipole Induced Improved Electrocaloric Effect in Modified NBT-6BT Lead-Free Ceramics // J. Alloys Compd. 2022. V. 903. Р. 163837. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163837
  11. Luo L., Jiang X., Zhang Y., Li K. Electrocaloric Effect and Pyroelectric Energy Harvesting of (0.94-x) Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 -0 .06BaTiO 3 -xSrTiO 3 Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. P. 2803–2812. http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.02.047
  12. Srikanth K., Vaish R. Enhanced Electrocaloric, Pyroelectric and Energy Storage Performance of BaCe x Ti 1-x O 3 Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. P. 3927–3933. http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.058
  13. Kimmel A., Gindele O., Duffy D., Cohen R. Giant Electrocaloric Effect at the Antiferroelectric-to-Ferroelectric Phase Boundary in Pb(Zr x Ti 1-х )O 3 // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 115. Р. 023902. https://doi.org/10.1063/1.5096592
  14. Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment // Offic. J. Eur. Union L 37. 2003. V. 46. P. 19–23. http://data.europa.eu/eli/dir/2002/95/oj
  15. Yang Z., Du H., Jin L. and Poelman D. High-Performance Lead-Free Bulk Ceramics for Electrical Energy Storage Applications: Design Strategies and Challenges // J. Mater. Chem. A. 2021. V. 9. P. 18026–18085. https://doi.org/10.1039/d1ta04504k
  16. Wu J. Perovskite Lead-Free Piezoelectric Ceramics // J. Appl. Phys. 2020. V. 127 Р. 190901. https://doi.org/10.1063/5.0006261
  17. Panda P.K. Review: Environmental Friendly Lead-Free Piezoelectric Materials // J. Mater. Sci. 2009. V. 44. P. 5049–5062. https://doi.org/10.1007/s10853-009-3643-0
  18. Rödel J., Jo W., Seifert T.P., Anton E.–M., Granzow T., Damjanovic D. Perspective of the Development of Lead-Free Piezoceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2009. V. 92. P. 1153–1177. https://doi.org/10.1111/j.1551- 2916.2009.03061.x
  19. Bernard J., Bencan A., Rojac T., Holc J., Malic B., Kosec M. Low Temperature Sintering of (K 0.5 Na 0.5 )NbO 3 Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. P. 2409–2411. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02447.x
  20. Kumar R., Singh S. Enhanced Electrocaloric Effect in Lead-Free 0 .9(K 0.5 Na 0.5 )NbO 3 −0 .1Sr(Sc 0.5 Nb 0.5 )O 3 Ferroelectric Nanocrystalline Ceramics // J. Alloys Compd. 2017. V. 723. P. 589–594. https://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.06.252
  21. Liu Z., Fan H., Lei S., Ren X., Long C. Duplex Structure in (K 0.5 Na 0.5 )NbO 3 − SrZrO 3 Ceramics with Temperature-Stable Dielectric Properties // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. P. 115–123. https://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.07.024
  22. Kumar R., Singh S. Enhanced Electrocaloric Response and Energy-Storage Properties in Lead-Free (1−x) (K 0.5 Na 0.5 )NbO 3 − xSrZrO 3 Nanocrystalline Ceramics // J. Alloys Compd. 2018. V. 764. P. 289–294. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.083
  23. Politova E.D., Golubko N.V., Kaleva G.M., Mosunov A.V., Sadovskaya N.V., Stefanovich S.Yu., Kiselev D.A., Kislyuk A.M., Chichkov M.V., Panda P.K. Structure, Ferroelectric and Piezoelectric Properties of KNN-Based Perovskite Ceramics // Ferroelectrics. 2019. V. 538 P. 45–51. https://doi.org/10.1080/00150193.2019.1569984
  24. Kołodziejczak-Radzimska A. and Jesionowski T. Zinc Oxide—from Synthesis to Application: A Review // Materials. 2014. V. 7. P. 2833–2881. https://doi.org/10.3390/ma7042833
  25. Louër D., Weigel D., Louboutin R. Méthode Directe de Correction des Profils de Raies de Diffraction des Rayons X. I. Méthode Numérique de Déconvolution // Acta Crystallogr., Sect. A. 1969. V. 25. P. 335–338. https://doi.org/10.1107/s0567739469000556
  26. Louboutin R., Louër D. Méthode Directe de Correction des Profils de Raies de Diffraction des Rayons X. III. Sur la Recherche de la Solution Optimale Lors de la Déconvolution // Acta Crystallogr., Sect. A. 1972. V. 28. P. 396–400. https://doi.org/10.1107/S056773947200107X
  27. Le Bail A., Louër D. Smoothing and Validity of Crystallite-Size Distributions from X-ray Line-Profile Analysis // J. Appl. Crystallogr. 1978. V. 11. P. 50–55. https://doi.org/10.1107/S0021889878012662
  28. Zhurov V.V., Ivanov S.A. PROFIT Computer Program for Processing Powder Diffraction Data on an IBM PC with a Graphic User Interface // Crystallogr. Rep. 1997. V. 42. P. 202–206.
  29. Калева Г. М., Политова Е. Д., Иванов С. А., Мосунов А. В., Стефанович С.Ю., Садовская Н.В. Синтез, структура, диэлектрические и нелинейные оптические свойства керамики системы (K 0.5 Na 0.5 )NbO 3 − BaZrO 3 // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 2. С. 208–215. https://doi.org/10.31857/S0002337X23020082
  30. Kurtz S.K., Perry T.T. A Powder Technique for the Evaluation of Nonlinear Optical Materials // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 8. P. 3798–3813. https://doi.org/10.1109/JQE.1968.1075108.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Дифрактограммы образцов (1-x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSrZrO3, модифицированных ZnO, с x = 0.05 (1), 0.075 (2), 0.125 (3), 0.15 (4).

Скачать (29KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые распределения ОКР для образцов (1-x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSrZrO3, модифицированных ZnO, с x = 0 (а), 0.075 (б), 0.125 (в), 0.15 (г); рассчитанный средний размер кристаллитов изменяется от 911 Å (а) до 723 Å (б), 554 Å (в) и 545 Å (г).

Скачать (47KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроструктура образцов (1− x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSrZrO3, модифицированных ZnO, с x = 0 (а), 0.075 (б), 0.125 (в) и 0.15 (г).

Скачать (142KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурные зависимости диэлектрической проницаемости ε(T), диэлектрических потерь tgδ(T) и электропроводности lgσ(1/T) образцов(1−x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSrZrO3, модифицированных ZnO, с x = 0.0 (а–в), 0.05 (г–е), 0.075 (ж–и), 0.125 (к–м), измеренные на частотах f = 1 (1), 10 (2), 100 (3), 300 кГц (4), 1 МГц (5).

Скачать (110KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024