Kurşunsuz piezoelektrik malzemelerde güvenilirlik sorunlarının sistematik bir incelemesi

Şu anda, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ve türevleri, üstün piezoelektrik özellikleri ve performansları nedeniyle sensörler, dönüştürücüler ve aktüatörler gibi çeşitli elektronik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bileşimdeki kurşunun (Pb) toksisitesi nedeniyle PZT'ye daha çevre dostu alternatiflerin geliştirilmesi için son yirmi yılda yoğun araştırmalar yapılmıştır. Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) bazlı kurşunsuz piezoelektrik seramikler, PZT'nin yerini alacak önde gelen malzeme adaylarından biri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu araştırmada, PZT gibi perovskit kristal yapısına sahip BNT tabanlı ikili (BNT-BT ve BNT-BKT) ve üçlü (BNT-BKT-BT) katı çözeltiler farklı katkı elementleri ile üretilerek özellik ve performanslarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu katkı elementlerinin piezoelektrik (d33), dielektrik (εr, tanδ, Td ve TC) ve ferroelektrik (Ec, Ps ve Pr) özelliklerinin yanında kristal yapı ve mikroyapı üzerine etkileri incelenmiştir. Çalışma boyunca üretilen 0,94(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,06(BaTiO3) (BNBT6), 0,80(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,20(Bi0,5K0,5TiO3) (BNKT20) ve 0,854(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,12(Bi0,5K0,5TiO3)-0,026(BaTiO3) (BNKBT12) seramiklere mevcut literatür ve bilimsel teoriler ışığında donör ve/veya akseptör davranışlar göstermesi öngörülen Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları B+3 ile eşleştirilerek birlikte katkılandırılmıştır. Üretilen farklı kompozisyonlara sahip numunelerin yapısal karakterizasyonları için yoğunluk ölçümü, X-ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskopisi (SEM) yöntemleri kullanılmıştır. Farklı katkı iyonlarının elektriksel özelliklere etkilerinin sistematik olarak incelenmesi amacıyla değişen sıcaklık, voltaj ve zamana bağlı olarak temel dielektrik, piezoelektrik ve ferroelektrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle üstün piezoelektrik özellik ve performans elde edilebilmesi bakımından kritik rolü olduğu bilinen "kutuplama" koşullarının optimizasyonu için değişkenler belirlenmiştir. Oda sıcaklığında elde edilen ölçümlerin yanı sıra sıcaklığa bağlı dielektrik özellikler, zamana ve sıcaklığa bağlı depolarizasyon davranışı ve ferroelektrik histeresiz (P-E) ölçümleri de yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde gerek borun (B+3) tek olarak gerekse Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları B+3 ile birlikte BNT-BT, BNT-BKT ikili ve BNT-BKT-BT üçlü sistemlerine katkılanması sonucu elde edilen bulgular sistematik olarak tartışılmış ve değerlendirilmiştir. Bor (B2O3) katkılamanın, seramik ve cam malzemelerde yaygın olarak rapor edilen ergime noktasını düşürerek sinterlenmeyi kolaylaştırıcı etkilerinin yanı sıra kurşunsuz piezoelektrik seramiklerde perovskit kristal yapıyı modifiye ederek başlıca elektriksel özelliklerini de önemli ölçüde geliştirdiği bu çalışmada ortaya konulmuştur. İncelenen perovskit sistemlerde borun (B+3), donör ve/veya akseptör davranış gösterdiği bilinen elementler arasından özenle seçilen Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları ile eşleştirilerek katkılanması sayesinde gözlemlenen sonuçların oluşması muhtemel noktasal hatalar kimyası perspektifinden "yapı-özellikler" değerlendirilmesini mümkün kılmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen bulgular ve değerlendirmeler, ilgili bilimsel literatür ve yeni nesil çevreye dost kurşunsuz piezoelektrik malzemelerin elektronik uygulamaları bakımından önemli katkılar sunma potansiyeline sahiptir.