En ikke-ækvivalent co-doteret strategi til forbedring af de elektriske egenskaber af piezoelektrisk keramik

Inden for rumfart er en højtemperatur piezoelektrisk vibrationssensor en af ​​de få nøgleenheder, der kan overvåges i høje temperaturer og barske omgivelser, så det er særligt presserende at udvikle højtydende højtemperatur piezoelektrisk keramik som kernen komponent af denne type sensor. Bi₄ Ti₃ O₁₂ (BIT), som en vital type af bismuth lagdelt struktur ferroelektrik (BLSF'er), har store anvendelsesmuligheder i højtemperaturmiljøer på grund af dets fremragende T_C på 675 ℃.

Imidlertid fører fordampningen af ​​Bi under sintringsprocessen i BIT-baseret keramik til generering af ilttomgangsdefekter, hvilket resulterer i relativt lav piezoelektrisk aktivitet. Den foreslåede B-site ikke-ækvivalent co-doteret strategi har vist sig at være en nyttig måde til effektivt at reducere koncentrationen af ​​ledige ilt og til at forbedre de omfattende elektriske egenskaber af BIT-baseret keramik.

En forskergruppe ledet af professor Yejing Dai fra Sun Yat-sen University i Shenzhen, Kina, rapporterede for nylig om en ny ikke-ækvivalent co-doteret strategi for BIT-baseret højtemperatur piezoelektrisk keramik for at løse de ovennævnte problemer.

Ved B-site-modifikationen for den BIT-baserede keramik er det normalt svært at opnå både en høj piezoelektrisk koefficient og en høj Curie-temperatur samt stor resistivitet ved høje temperaturer. Der synes at være en gensidig begrænsning mellem d₃₃ og T_C på grund af vanskeligheden ved samtidig at opnå fremragende elektriske egenskaber og god strukturel stabilitet. Denne forskning er rettet mod synergistisk optimering af de to parametre ved at bruge B-site ikke-ækvivalent co-dopet strategi med at kombinere højvalens Ta ⁵⁺ og lavvalens Cr ³⁺ .

Forskerne offentliggjorde deres forskning i Journal of Advanced Ceramics den 21. februar 2024.

"I denne forskning valgte vi højvalens Ta ⁵⁺ og lavvalens Cr ³⁺ ikke-ækvivalent co-doteret BIT-keramik for at løse problemet med, at høj piezoelektrisk ydeevne, høj Curie-temperatur og højtemperaturresistivitet ikke kunne opnås samtidigt i BIT-baseret keramik. En serie af Bi₄ Ti_3−x (Cr_1/3 Ta_2/3 )_x O₁₂ keramik blev syntetiseret ved faststofreaktionsmetoden.

"Prøvernes fasestruktur, mikrostruktur, piezoelektriske ydeevne og ledende mekanisme af prøverne blev systematisk undersøgt. B-stedets ikke-ækvivalente co-dopingstrategi, der kombinerer højvalens Ta ⁵⁺ og lavvalens Cr ³⁺ forbedrer de elektriske egenskaber betydeligt på grund af et fald i koncentrationen af ​​ledig ilt. Når dopingindholdet er 0,03 mol, udviser keramik en høj piezoelektrisk koefficient på 26 pC·N ⁻¹ og en høj Curie-temperatur på 687 ℃.

"Desuden en markant øget resistivitet på 2,8×10 ⁶ Ω·cm ved 500 ℃ og god piezoelektrisk stabilitet op til 600 ℃ opnås også for denne sammensætning. Alle resultaterne viser, at Cr/Ta co-doteret BIT-baseret keramik har et stort potentiale til at blive anvendt i piezoelektriske applikationer ved høje temperaturer," sagde Xuanyu Chen, den første forfatter af papiret og en ph.d.-studerende ved School of Materials. ved Sun Yat-sen University.

Den ikke-ækvivalente co-dopingstrategi er en effektiv metode til at forbedre den elektriske ydeevne af BIT-baseret keramik. Gennem introduktionen af ​​ikke-ækvivalente ionpar blev koncentrationen af ​​ilttomgangsdefekter i BIT-keramikken effektivt reduceret, og anisotropien af ​​kornvæksten faldt. Dette giver en ny idé til yderligere at forbedre de piezoelektriske egenskaber af BIT-baseret keramik og fremme deres anvendelse inden for højtemperaturføling.

Det næste trin i forskergruppen er at inducere A-site ioner såsom La ³⁺ på en B-sted ikke-ækvivalent co-doteret basis. "Vi forventer, at A/B site co-doping yderligere vil øge den piezoelektriske aktivitet af den BIT-baserede keramik, og så vil vi afsløre effekten af ​​A/B site co-doping på domænestrukturen af ​​prøven sammenlignet med B. -site ikke-ækvivalent co-doping," sagde fru Chen.

Målet med forskerholdet er at fremstille vismutlagede piezoelektriske keramiske enheder med fremragende elektriske egenskaber, der er velegnede til arbejde ved høje temperaturer.

Andre bidragydere omfatter fru Ziqi Ma, professor Bin Li og professor YeJing Dai fra School of Materials ved Sun Yat-sen University i Shenzhen, Kina.

Flere oplysninger: Xuanyu Chen et al, Forbedret piezoelektrisk ydeevne af Cr/Ta ikke-ækvivalent co-dopet Bi 4Ti 3O 12-baseret højtemperatur piezokeramik, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220850

Leveret af Tsinghua University Press