Syntese og karakterisering av ferroelektriske materialer : Bi4Ti3O12 og BiCoO3

Abstract

Nye materialer med bedre egenskaper og nye bruksområder søkes kontinuerlig av forskningsgrupper rundt om i verden. Blant disse er ferroelektriske/piezoelektriske materialer med perovskittype struktur av stor interesse for applikasjoner innen mikroteknologi og mikrosystemer. De mest brukte piezoelektriske keramene i dag består av komponenter som inkluderer PbTiO3-PbZrO3, f. eks. PZT. Bruken av slike forurensende materialer må reduseres av miljømessige årsaker. Det er derfor blitt nødvendig å forske på blyfrie piezoelektriske materialer med gode piezoelektriske egenskaper, slik PZT systemet har. I denne oppgaven er det lagt fokus på å lage Bi4Ti3O12, som er et kjent piezoelektrisk materiale, både i form av tynnfilm og bulk prøver. Dette materialet har i motsetning til PZT, PbZrxTi1-xO3, en mye høyere omvandlingstemperatur (ca 948 K i Bi4Ti3O12 mot ca 593 K i PZT), og er derfor interessant for applikasjoner som krever høyere temperaturstabilitet. Det ble målt ferroelektriske egenskaper på bulkprøvene av Bi4Ti3O12 og disse ble forsøkt sammenlignet med egenskapene i PZT. Det ble lagt stor vekt på å studere krystallstrukturen til Bi4Ti3O12 da denne har vært omdiskutert i litteraturen. Ulike typer forurensningsfaser ble også studert. For dannelse av tynne filmer ved bruk av spin-coating, ble det utviklet en sol-gel basert syntesemetode. Det ble videre gjort forsøk for å optimalisere varmebehandlingen til filmene, og kornstørrelse og ruhet ble studert. Det ble også foretatt struktursammenligning av Bi4Ti3O12 i form av bulk og tynne filmer. Til å karakterisere prøvene ble det brukt XRD, SEM og AFM.

I siste del av oppgaven ble det forsøkt laget bulkprøver av BiCrO3 og BiCoO3. Det ble tatt utgangspunkt i en våtkjemisk metode, og prøvene ble så utsatt for redusering og høytrykk i forsøk på å danne BiCrO3 og BiCoO3. Disse forbindelsene kan ha tilstedeværelse av ferroelektrisitet og (anti)ferromagnetisme samtidig, slik tilfellet er for BiFeO3 og BiMnO3. Forurensningsfaser og krystallstrukturen til BiCoO3 ble studert. Tilslutt ble det gjort struktursammenligning av BiFeO3 og BiCoO3. XRD, SEM og mikrosonde ble brukt til å karakterisere prøvene.