Bor katkılı kurşunsuz piezoelektriklerde akseptör ilavesinin depolarizasyon davranışına etkileri

Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ve modifikasyonları uzun yıllardır kullanılan ve oldukça iyi elektriksel özelliklerinden dolayı tercih edilen piezoelektrik seramik malzemelerdir. Ancak kuşunun (Pb) zehirleyici etkisinden dolayı PZT üretimi ve kullanımına sınırlamalar getirilmiştir. Bu nedenle kurşunsuz, ancak özellikleri PZT ile eşdeğer malzemeler arayışına girilmiştir. Bu çalışmada, yüksek saflıktaki oksit tozlardan (Bi0,47Na0,47Ba0,06)TiO3, (Bi0,47Na0,47Ba0,06)TiO3+%1 mol B+3, (Bi0,47Na0,47Ba0,06) (Ti1-xDx)O3+%1 mol B+3 katkılı (D=Mn+3, Al+3, Fe+3) perovskit yapılı kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin katı hal yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir. Bor (B+3) kaynağı olarak B2O3 hammaddesi kullanılmıştır. Bor atomlarının çok küçük iyonik yarıçapları ile (Bi0,47Na0,47Ba0,06)TiO3 (BNT-6BT) sisteminde ara yer pozisyonuna yerleştiği varsayılmıştır. Böylece B+3 katyonlarının donör davranışı göstermesi ve BNT bileşiğini daha yumuşak (soft) malzemeye dönüştürerek kutuplanma (poling) davranışını geliştirmesi beklenmektedir. Diğer taraftan pek çok cihaz uygulamaları için piezoelektrik malzemelerin elektrik alan kaldırıldıktan sonra da polar özelliklerini koruması da önem taşımaktadır. Polarizasyonla ilgili özelliklerin zamanla düşüşü gevşeme veya depolarizasyon olarak adlandırılır. Malzemelerde yumuşak karakter arttıkça zaman içinde depolarizasyon hızı da artarak birtakım piezoelektrik özelliklerin düşüşüne neden olabilir. Donör olarak B+3 katkısının olası olumsuz etkilerini dengelemek için benzer perovskit sistemlerde B-site akseptör davranışıyla bilinen Mn+3, Al+3 ve Fe+3 katyonları bu çalışmada üretilen seramiklere katılmıştır. Bu tür akseptör katkıların genellikle piezoelektriklere sert (hard) karakter kazandırdığı, özelliklerde biraz düşüş olsa da depolarizasyon davranışını olumlu etkilediği bilinmektedir. Tozlara 950°C'de 4 saat uygulanan kalsinasyon işleminin ardından faz yapısı X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemiyle kontrol edilmiştir. Perovskit yapılı tozlardan kuru presleme ile elde edilen disk şekilli numunelere daha iyi ham yoğunluk elde etmek amacıyla ayrıca soğuk izostatik presleme (CIP) uygulanmıştır. Sinterleme işlemi için mevcut literatür baz alınarak optimum sıcaklık ve süre olarak 1150°C ve 12 saat değerleri seçilmiştir. Sinterlemenin ardından hem elektriksel ölçümlere hazır hale getirmek hem de taramalı elektron mikroskobunda incelemek amacıyla numunelerin yüzeyleri parlatılıp altın (Au) kaplanmıştır. Yoğunluk ölçümleri Arşimet yöntemi ile yapılmıştır. Numunelerin yüzeyleri elektrot ile kaplandıktan sonra ilk olarak oda sıcaklığında dielektrik özellikleri LCR-metre ile ölçülmüştür. Ferroelektrik özelliklerin tespiti için bipolar polarizasyon ve elektrik alan (P-E) histeresiz ölçümleri 40 kV/cm elektrik alanı uygulanarak yapılmıştır. Piezoelektrik özellik ölçümleri öncesinde numuneler silikon yağı içerisinde, bir yüksek voltaj güç kaynağı kullanarak, oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 3 kV/mm DC uygulanarak kutuplama (poling) işlemine tabi tutulmuştur. Kutuplama işleminin ardından numuneler düzenekten çıkarılır çıkarılmaz, piezoelektrik ve dielektrik özelliklerin zamana bağlı değişimini hem de bu değişime sıcaklığın etkisini gözlemlemek için numunelerde 105 saniyeye kadar farklı zamanlarda ve oda sıcaklığı (25), 40, 60, 80 ve 100 °C sıcaklıklarda bekletilerek ölçümler alınmıştır. Elde edilen veriler değerlendirilerek bu çalışmada üretilen malzemelerin depolarizasyon davranışları hakkında pek çok uygulama için kritik değerde olan sonuçlar çıkarılmıştır.