Wetenschap
Een niet-equivalente co-gedoteerde strategie om de elektrische eigenschappen van piëzo-elektrische keramiek te verbeteren
Op het gebied van de lucht- en ruimtevaart is een piëzo-elektrische trillingssensor voor hoge temperaturen een van de weinige belangrijke apparaten die kan worden gemonitord in een omgeving met hoge temperaturen en zware omstandigheden. Daarom is het bijzonder dringend om hoogwaardige piëzo-elektrische keramiek voor hoge temperaturen als kern te ontwikkelen. onderdeel van dit soort sensor. Bi4 Ti3 O12 (BIT), als een essentieel type ferro-elektriciteit met bismutlaagstructuur (BLSF's), heeft geweldige toepassingsvooruitzichten in omgevingen met hoge temperaturen vanwege de uitstekende TC van 675 ℃.
De vervluchtiging van Bi tijdens het sinterproces in op BIT gebaseerde keramiek leidt echter tot het ontstaan van zuurstofvacaturedefecten, wat resulteert in een relatief lage piëzo-elektrische activiteit. Het is bewezen dat de voorgestelde B-site niet-equivalente co-gedoteerde strategie een nuttige manier is om de concentratie van zuurstofvacatures effectief te verminderen en de uitgebreide elektrische eigenschappen van op BIT gebaseerde keramiek te verbeteren.
Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Yejing Dai van de Sun Yat-sen Universiteit in Shenzhen, China, rapporteerde onlangs een nieuwe, niet-equivalente co-gedoteerde strategie voor op BIT gebaseerde piëzo-elektrische keramiek voor hoge temperaturen om de bovengenoemde problemen op te lossen.
Door de B-site-modificatie voor de op BIT gebaseerde keramiek is het gewoonlijk moeilijk om zowel een hoge piëzo-elektrische coëfficiënt als een hoge Curie-temperatuur te verkrijgen, evenals een grote weerstand bij hoge temperaturen. Er lijkt een wederzijdse beperking te bestaan tussen d33 en TC vanwege de moeilijkheid om tegelijkertijd uitstekende elektrische eigenschappen en een goede structurele stabiliteit te bereiken. Dit onderzoek is gericht op het synergetisch optimaliseren van de twee parameters door gebruik te maken van de niet-equivalente, gecodoteerde B-site-strategie van het combineren van Ta 5+ met hoge valentie. en Cr 3+ met een lage valentie .
De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in het Journal of Advanced Ceramics op 21 februari 2024.
"In dit onderzoek hebben we gekozen voor Ta 5+ met een hoge valentie en Cr 3+ met een lage valentie niet-equivalente co-gedoteerde BIT-keramiek om het probleem op te lossen dat hoge piëzo-elektrische prestaties, hoge Curie-temperatuur en hoge temperatuurweerstand niet tegelijkertijd konden worden bereikt in op BIT gebaseerde keramiek. Een reeks van Bi4 Ti3−x (Cr1/3 Ta2/3 )x O12 keramiek werd gesynthetiseerd volgens de vastestofreactiemethode.
"De fasestructuur, microstructuur, piëzo-elektrische prestaties en geleidingsmechanisme van de monsters werden systematisch onderzocht. De niet-equivalente co-dopingstrategie op de B-site combineert Ta 5+ met hoge valentie en Cr 3+ met een lage valentie verbetert de elektrische eigenschappen aanzienlijk als gevolg van een afname van de zuurstofvacatureconcentratie. Wanneer het doteringsgehalte 0,03 mol bedraagt, vertoont keramiek een hoge piëzo-elektrische coëfficiënt van 26 pC·N −1 en een hoge Curietemperatuur van 687 ℃.
"Bovendien een aanzienlijk verhoogde weerstand van 2,8×10 6 Met deze samenstelling worden ook Ω·cm bij 500 ℃ en een goede piëzo-elektrische stabiliteit tot 600 ℃ verkregen. Alle resultaten tonen aan dat Cr/Ta geco-gedoteerde BIT-gebaseerde keramiek een groot potentieel heeft om te worden toegepast in piëzo-elektrische toepassingen bij hoge temperaturen”, zegt mevrouw Xuanyu Chen, de eerste auteur van het artikel en een doctoraalstudent aan de School of Materials. aan de Sun Yat-sen Universiteit.
De niet-equivalente co-dopingstrategie is een effectieve methode om de elektrische prestaties van op BIT gebaseerde keramiek te verbeteren. Door de introductie van niet-equivalente ionenparen werd de concentratie van zuurstofvacancy-defecten in de BIT-keramiek effectief verminderd en nam de anisotropie van de korrelgroei af. Dit levert een nieuw idee op voor het verder verbeteren van de piëzo-elektrische eigenschappen van op BIT gebaseerde keramiek en het bevorderen van de toepassing ervan op het gebied van detectie van hoge temperaturen.
De volgende stap van de onderzoeksgroep is het induceren van A-site-ionen zoals La 3+ op een niet-equivalente, gecodoteerde B-sitebasis. "We verwachten dat co-doping op de A/B-site de piëzo-elektrische activiteit van het op BIT gebaseerde keramiek verder zal verhogen, en dan zullen we het effect van co-doping op de A/B-site op de domeinstructuur van het monster onthullen in vergelijking met de B -site niet-equivalente co-doping," zei mevrouw Chen.
Het doel van het onderzoeksteam is om piëzo-elektrische keramische apparaten met een bismutlaag te vervaardigen met uitstekende elektrische eigenschappen die geschikt zijn om bij hoge temperaturen te werken.
Andere bijdragen zijn onder meer mevrouw Ziqi Ma, professor Bin Li en professor YeJing Dai van de School of Materials aan de Sun Yat-sen Universiteit in Shenzhen, China.