بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سرامیک ZnO:Hf تهیه و اثر ناخالصی عنصر هافنیوم بر روی خواص دیالکتریکی نانوذرات اکسیدروی بررسی شد. ساختار و ریختشناسی سرامیک با استفاده از پراش پرتوایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و همچنین میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - بررسی گردید. نتایج بدست آمده نشان دادند که سرامیک تهیه شده، برای کاربردهای الکترونییک میتواند بسیار مناسب باشد. حضور هافنیوم نیز توسط مشخصه یابی - EDX - در ساختار تایید شد.
مقدمه
مواد دیالکتریک که ثابتهای دیالکتریک بزرگی دارند کاربرد بالقوهای درساخت انواع خازنهای متراکم با انرژی بالا، پیزوالکتریکها، وریستورها و دستگاههای ترموالکتریک دارند.[1] سرامیکها دارای ثابت دیالکتریک نسبتا بزرگ وپر کاربرد هستند. در بین مواد با ثابت دیالکتریک بزرگ مانند CCTO ها آماده سازی اکسیدروی در مقیاس بزرگ، آسانتر ومقرون به صرفهتر میباشد. اکسیدروی، با گاف انرژی مستقیم - 3/37 eV - و انرژی تحریک بزرگ ماده بسیارجذابی میباشد که به دلیل قابلیتهای فوق العادهاش در دهههای گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده است و میتوان آن را برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله دی الکتریکها استفاده کرد.
[2] با وجود مطالعات بسیار بر روی رفتار دیالکتریک انواع نانو ساختارهای اکسیدروی، در طیف گستردهای از درجه حرارت و فرکانس، ثابت دیالکتریک نسبی اکسیدروی خالص هنوز بسیار کم است. در میان عناصر گروه چهار، اکسیدروی آلائیده به عنصر هافنیوم به دلیل اضافه کردن دو الکترون بیشتر به شبکه و افزایش خاصیت الکتریکی به عنوان گزینه مناسب انتخاب شد. با وجود مطالعات بر روی اکسیدروی آلائیده به هافنیوم، تا کنون مطالعاتی بر روی خواص دیالکتریک سرامیکهای اکسیدروی با این ناخالصی ارائه نشده است. در مطالعات اخیر ثابت دیالکتریک از مرتبه 104 در فرکانس 100 هرتز برای سرامیکهای اکسیدروی خالص به دست آمد4] و.[3 سیستم سرامیکی HZO با ساختار غیرپروسکایتی و غیرفروالکتریک یکی از مهمترین مواد با ثابت دیالکتریک بالا است. هدف از این مقاله بررسی اثر آلایش هافنیوم بر خواص ساختاری و دیالکتریکی سرامیکهای اکسیدروی میباشد.
کارهای تجربی
جهت سنتز در ابتدا مقادیر مشخص استات روی 1 مولار طبق روابط استوکیومتری محاسبه شده و روش سل ژل، در 20 میلیلیتر پروپانول خالص و استیک اسید به مدت چند دقیقه روی همزن مغناطیسی قرار گرفت تا بعداز گذشت 30 دقیقه سل شفاف اکسیدروی خالص به دست آمد. تمامی مواد اولیه با درجه خلوص بالا 99,99 و از شرکت مرک آلمان تهیه شدند.در آخر نسبت 1 درصداتمی از هافنیوم تترا کلراید را به سل اکسیدروی اضافه کردیم. پودرهای خشک شده حاصل از رسوبات ZnO و HZO ، در کورهی الکتریکی و دمای 700 درجهی سانتیگراد به مدت دو ساعت قرار گرفتند.سپس از نانوپودرهای حاصله توسط پرس هیدرولیکی قرص تهیه گردید.
بررسی نتایج
شکل 1 الگوهای پراش اشعه ایکس سرامیکهای خالص و آلائیده را نشان میدهد. قلههای پراش همه نمونهها در توافق خوبی با الگوی پراش استاندارد ورتزایت اکسیدروی میباشند. هیچ قله و فاز اضافهای از هافنیوم و اکسیدهای آن مشاهده نشد. همانطور که در شکل دیده میشود نمونهها در جهت ارجح - 101 - بیشترین رشد را داشتهاند. نمونه آلائیده با 1 درصد ناخالصی هافنیوم شدت
قله های بالاتری رانسبت به نمونه خالص نشان می دهد که این موضوع تاییدی بر قرارگیری بهتر یونهای هافنیوم در ساختار شبکه اکسیدروی است.
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی سرامیک ZnO:Hf در شکل 2 نشان داده شده است.همانظور که مشخص است ذرات تمایل به تشکیل ساختار نسبتا منظم شش وجهی با اندازه دانه 0/5 میکرومتر را دارند. تصویر TEM نمونه پودری 1 درصد آلائیده به هافنیوم در مقیاس 200 نانومتر در شکل 3 نشان داده شده است. همانطورکه دیده می شود ذرات کروی شکل، همگن و تقریبا شش وجهی میباشند. متوسط اندازه ذرات حدود 38 نانومتر تخمین زده شد. رسم هیستوگرام آماری توزیع اندازه ذرات نشاندهنده توزیع نسبتا نرمال اندازه ذرات میباشد.
اکسیدروی توسط انالیز EDX در شکل 5 با - مقدار تقریبی 1درصد اتمی - نیز تایید شد. ظرفیت خازنی با استفاده از دستگاه LCR متر در بسامدهای مختلف اندازهگیری شد. با توجه به معلوم بودن ابعاد نمونه و استفاده از رابطه = ، ثابت دیالکتریک نمونهها تعیین گردید، در این رابطه d ضخامت نمونه، C ظرفیت، A اندازه سطح نمونه و 0 گذردهی الکتریکی خلأ است. نمودار ثابت دیالکتریک برحسب بسامد سرامیکهای اکسیدروی خالص و آلائیده به هافنیوم در بازهی 20 تا 10000 هرتز در شکل 4 رسم شده است.
ثابت دیالکتریک با افزایش بسامد به تدریج کاهش یافته و در بسامدهای بالاتر تقریباً ثابت شده و رفتاری مستقل از بسامد دارد؛ این امر میتواند به علت غلظت زیاد حفرههای موجود در مرزدانه ها باشد. مقدار ثابت دیالکتریک در بسامدهای پایینتر معمولاً، وابسته به تحریک پیوند الکترونها، ارتعاشات شبکه، جهتگیری دوقطبیها و قطبش بار فضایی است .ثابت بودن دی الکتریک در بسامدهای بالاتر نشان میدهد که هیچ توزیع قطبش بار فضایی در این محدوده بسامد وجود ندارد.
[5] نتایج نشان می دهد که نمونه آلائیده به هافنیوم دارای ثابت دیالکتریک بزرگتری نسبت به نمونه خالص است. آلایش هافنیوم موجب کاهش در اندازهی دانه میشود، که این امر موجب افزایش نسبت سطح به حجم در مرزدانهها میشود و ثابت دیالکتریک را افزایش میدهد. افزایش جانشانی یونهای Hf4+ در جایگاه یون Zn2+ موجب کاهش تخلل سطح و کاهش جهش بین الکترونهای دو کاتیون روی در نمونههای 0/5 و 1 درصد شده و در نتیجه ثابت دی الکتریک را افزایش میدهد.
