KNNS-BNW seramiklerin ZnO katkısına bağlı olarak dielektrik özelliklerinin incelenmesi

Seramikler, elektronik uygulamalarda birçok amaçla kullanılan yaygın bir malzeme grubudur. Gelişen teknolojik faaliyetler neticesinde birçok alanda enerjiyi depolama ve dönüştürme yeteneklerinden faydalanılan piezoelektrik malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Piezoelektriklerin endüstride en yaygın kullanımı geleneksel seramiklerden farklı olarak üretilen sensörler, kapasitörler (kondansatörler), aktüatörler, dönüştürücüler ve dielektrik malzemeler olarak faaliyet gösteren ileri teknoloji seramikleridir. Kurşunun elektronik özelliklere pozitif katkılar sağladığı keşfedildikten sonra kurşun-zirkonat-titanat (PZT) bileşimi endüstride kullanılan en iyi piezoelektrik malzemelerden birisi olmuştur. Ancak günümüzde yapılan çalışmalar ağır metaller içerisinde yer alan kurşunu, yüksek toksisite değerleri göstermesinden dolayı çevreye ve canlılığa zararlı etkileri olan bir tehdit unsuru olarak görmektedir. Bu sebeple kurşun içermeyen malzeme gruplarına yönelim artmış ve araştırma çalışmaları günden güne hız kazanmıştır. Bunlar içerisinde ABO3 tipi kristalleşen potasyum sodyum niyobat (KNN), potasyum stronsiyum niyobat (KSN), baryum titanat (BT) ve bizmut sodyum titanat (BNT) gibi perovskit yapılar önem kazanarak elektriksel özellikleriyle dikkat çekmiştir. Kurşun içermeyen malzeme grupları içerisinde KNN bileşimi yüksek Curie sıcaklığı (TC) ve düşük dielektrik kayıp özellikleri göstermesi sebebiyle umut vadedici bir malzemedir. KNN gibi perovskit seramiklerinin yaygın olarak kullanıldığı dielektrik malzemeler elektrik akımını taşıyan serbest elektronlara sahip değildir ancak bir elektrik alan altında polarize olarak elektrik yükünü depolamada veya kapasitansı arttırmada kullanılabilirler. Seramik malzemeler bileşimlerinde alkali ve toprak alkali bileşikler, silikatlar, alüminatlar, metal oksitler bulunduran malzeme gruplarından biridir. Bağ yapılarındaki iyonik ve kovalent durumlar, değişken kristalizasyon yapıları ve bileşim kombinasyonlarının fazla olması gibi sebepler neticesinde araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Seramiklere çeşitli katkı maddeleri eklenerek kimyasal ve mekanik özellikleri değiştirilebilmekte ve bu sayede mevcut malzemelerin geliştirilmeleri veya alternatiflerinin üretilmesi sağlanmaktadır. Bu çalışmada kurşun içermeyen potasyum sodyum niyobat (KNN) tipi seramiklere farklı oranlarda ZnO katkısının [0,955(K0,52Na0,48)(Nb0,96Sb0,04)O3 – 0,045(Bi0,5Na0,5)(Zn0,5W0,5)O3] seramik sistemi (KNNS-BNZW) üzerindeki dielektrik özelliklere etkisi araştırılmıştır. Hammaddeler stokiyometrik oranlarda tartılarak ZnO katkısız KNNS-BNW ve ağırlıkça %0,05 - %0,1 ve %0,2 ZnO katkılı olacak şekilde hazırlanmıştır. Seramik tozu üretimi için toz metalurjisi yöntemi kullanılarak hammaddeler bilyeli değirmende etil alkol ortamında öğütülmüş ve kurutularak 890 ˚C sıcaklıkta 8 saat kalsinasyon yapılmıştır. İkinci kez öğütme ve kurutma aşamalarından geçirilerek elde edilen ZnO katkılı ve katkısız KNNS-BNW seramik tozları ayrı ayrı 200 MPa basınç altında tek eksenli presleme yöntemiyle şekillendirilmiştir.Geleneksel sinterleme metoduna göre 1160 ˚C sıcaklıkta 14 saat sinterlenerek üretim tamamlanmıştır. Sinterlenen seramik numunelerin yoğunluğu ölçülmüştür. Tozların ve sinterlenmiş seramik numunelerin karakterizasyonunda XRD, SEM ve EDS ile faz analizleri, mikroyapı özellikleri ve elementel analizi yapılmıştır. Yapılan XRD ölçümlerinde KNNS-BNW ve KNNS-BNZW seramiklerinin oda sıcaklığında perovskit kristal sisteminde olduğu, SEM incelemelerinde üretilen KNNS-BNW ve KNNS-BNZW seramiğinin yoğun bir yapı sergilediği görülmektedir. Dielektrik ölçümler için seramik numuneler gümüş pasta ile kaplanarak yüzeyleri iletken hale getirilmiştir. 50 Hz – 1 MHz aralığında farklı frekans ve sıcaklık değerlerine bağlı ölçümler yapılmış, kapasitans (C) ve kondüktans (G) değerleri ölçülmüştür. Ölçüm sonuçlarından dielektrik sabit (Ɛr) ve dielektrik kayıp (tanδ) değerleri hesaplanmıştır. 25 ˚C sıcaklıkta 1 kHz frekans ile yapılan ölçümde %0.05, %0.1 ve %0.2 ZnO katkılı bileşimler için Ɛr değerleri sırasıyla 1113.4, 1302.2, 856.7 ve tanδ değerleri ise 18.72, 0.55 ve 4.09 değerleridir. Seramik bileşimlerin Curie sıcaklığı (TC) yaklaşık 240 ˚C'de görülmektedir. Dielektrik ölçüm değerleri incelendiğinde üretilen KNNS-BNW esaslı seramik bileşiminin kurşun içeren seramik bileşimleri yerine kullanılabileceği görülmektedir.