بخشی از مقاله
چکیده
در این تحفین نانو پودر PZT با فرمول شیمیایی Pb - ZrxTi1-xO3 - ،که در آن x=0.58 می باشد ،با استفاده از روش سل – ژل ساخته شد . از دو روش مرسوم سل – ژل در ساخت نانو پودر PZT ، یعنی روش "diol" و "triol" ، روش تریول انتخاب گردید با این تفاوت که استیل استون با درصد وزنی به عنوان حلال تیتانیوم تتراپروپوکساید, انتخاب شد. با استفاده از طیف XRD گرفته شده از نمونه ها دماي کلسیناسیون مناسب براي تشکیل ساختار بلوري PZT - 58/42 - ، 700°C به دست آمد. .نمونه هاي قرصی شکل در دماهاي 900°C و 1000 °C به مدت دو ساعت سینتر گردید. تصاویر SEM گرفته شده از نمونه ها نشان می دهد که این دماها بري سینترینگ مناسب نبوده و بسیار بالا می باشد. به دست آوردن دماي سینتر مناسب براي این ترکیب هنوز در دست بررسی است.
مقدمه
لایه هاي نازك مخلول جامد زیرکونات تیتانات سرب - PZT - 1 با فرمول شیمیایی Pb - ZrxTi1-xO3 - در سیستمهاي میکروالکترونیک شامل خازنها ، ابزارهاي حافظه، میکرو محرکهاي پیزوالکتریک و حسگرهاي حرارتی کاربرد بسیار زیادي دارد. . خواص الکتریکی این لایه ها اغلب متفاوت از نمونه هاي حجمی با ترکیب مشابه می باشد و به همین ترتیب روش ساخت نیز بسیار متفاوت از نمونه هاي حجمی سرامیک پیزوالکتریک است .
تکنیک کوتینگ سل – ژل جهت تهیه مادهلایه اولیه براي ساخت هاي نازك با بطور گسترده اي بکار می رود . جهت کار بردهاي متنوعی که سرامیک PZT و لایه نازك آن دارد ، به دهاي سینترینگ پایینی نیاز می باشد . دماي ﺳﻴﻨﺘﺮﻳﻨﮓ سرامیک حجمی بطور معمول حدود 1200°C می باشد.[1] این دما براي خازنهاي فیلم نازك ، حافظه هاي مجتمع و سایر موارد شامل فیلم نازك بسیار بالا می باشد. دماي پخت پایین از پخش داخلی لایه ها درون هم پیشگیري می کند و این اجازه را به ما می دهد که از الکترودهایی شامل فلزات غیر کمیاب و ارزانتري استفاده نماییم .
بر خلاف روش سنتی ساخت سرامیک یعنی واکنش حالت جامد اکسید فلزات، این روش شیمیایی مرطوب اجازه مخلوط شدن عناصر در تراز مولکولی را می دهد نتیجتاًو موادي با همگنی بالا و دماي سینترینگ پایین بدست می آید . روش سل – ژلاخیراً جهت ساخت نانو ذرات ، نانو کریستالها ، نانو پودرها و نانو سرامیکها بسیار موسوم بوده و در تمام آزمایشگاههاي نانو مورد استفادهخلاصهقرار می گیرد .[2] بطور روش سل – ژل روشی است که یک اکسید دیر گداز در محلول الکلی حل می شود . سل و ژل به دو حالت فیزیکی و شیمیایی اطلاق می شود که در طی این فرآیند رخ می دهد .
سل عبارت از محلولی است که شامل اجزاي مختلف ترکیب مورد نظرایناست. اجزا بصورت ذرات معلق در محلول بوده و از نظر ابعادي در وضعیتی هستند که نه در محلول حل می شوند و نه رسوب می کنند. هنگامی که ذرات وزن بحرانی پیدا می کنند ناپایدار می شوند در این حالت ، کنترل محلول بسیار اهمیت دارد زیرا ممکن است بجاي پیوستن زنجیره اي ذرات بیکدیگر و تشکیل ژل ، از حالت تعلیق خارج شده و رسوب کنند .
طی عملیات هیدرولیز و ﭘﻠﻲ مریزاسیون ، محلول سل بتدریج به حالت و یسکوالاستیک و سپس بحالت ژل تبدیل می شود وسپس در مرحله خشک کردن ، مواد فرار از ژل خارج می شود.[2] روشی که در آن از تیتانیوم ایزوپروپوکساید Ti - OC3H7 - 4 ، زیر کونیوم پروپوکساید - Zr - OC3H7 - 4 - و استات سرب Pb - OOCCH3 - 2 در حلال متوکسی اتانول - MOE - استفاده می شود نخست توسط Budd گزارشجدیدترینشد.[3,4] یکی از روشها،روش تریول2 بر پایه 1و1و1 تریزهیدروکسی متیل اتان، , 4 - CH 3C - CH2 OH - 3ترکیب شامل سه گروه هیدروکسیل است - بجاي روش دیول3 برپایه حلال پروپاندیول میروشباشد.[5]
تریول که مادر این کار از آن استفاده کردیم این مزیت را برروش دیول دارد که سل تریول سریع تر منعقد شده و تبدیل به ژل می گردد و در نتیجه فیلمهاي یکنواختیحقیقتبهدست می آید .این توسط اسریپرانگ و همکاران [6] نشان دادهنشانشده است.آنها دادند که در شرایط یکسان, سلهاي تریول پس از 10 دقیقه به ژل تبدیل می گردد، در حالیکه سل دیول پس از گذشت 30 دقیقه هنوز بصورت سل باقی می ماند.
تهیه نانوپودر PZT
به منظور تهیه نانو پودرهاي PZT از روش تریولردیماستفاده ك بدین ترتیب که نخست 2/97 گرم از زیرکونیوم پروپوکساید،Zirconium - IV - n-Propoxide[ Zr - n-pr - Aldrich]، رابه 1 /28 گرم استیل استون Acetylacetone[CH3COCH2COCH2 , acacH, Aldrich, 99%] تحت اتمسفر N2 افزودیم - اتمسفر N2 جهت اجتناب از واکنش مواد با هوا به کار می رود - سپس مخلوط به دست آمده را به مدت دو ساعت در دماي 90°C هم زدیمیسکوزیته.درطول دو ساعت و محلول بالا رفته و فرآیند هم زدن دائم کنترل می شد.
حلال تیتانیوم تتراپروپوکساید, استیل استون با درصد وزنی%75 Wt انتخاب شد. این ترکیب انتخاب شده براي ساخت PZT تا کنون گزارش نشده است. در انتها، ژل طلایی رنگ همگنی به دست آمد که ویسکوزیته آن بسیار بالا بود. آن را در حلال متوکسی اتانول - MOE - ، 2–Methoxyethanol[C3H8O2, Merek, 99.5%]، تا 0/75 M مولار رقیق کرده و درون بشر جهت خشک کردن ریختیم. خشک کردن در دماي 120 °C در خشک کن - مدل - memmert به مدت 40 ساعت انجام شد. ژل حاصل در دو بوته قرار داده شد.
نمونه اول بمدت یکساعت دماییدر دماي 600°C با شیب 5 °c/min کلسینه شد. نمونه دوم مستقیما در دماي 600°C باشیب 1.7 °c/min به دماي700°C رسانده شد و به مدت یکساعت در این دما ماند. نمونه ها در هاون عقیق4 پودر شده و جهت مطالعاتXRD یا SEM آماده گردید . ازنمونه هاي ژلی نمی توان XRD یا SEM گرفت . به همین دلیل نمونه را به شکل پودر در آوردیم. معمولآ ژل بمدت 2 تا 3 روز پایدار است و هیچ آثاري از رسوب در آن مشاهده نمی شود . گرچه پایداري این محلول تا سه ماه نیز گزارش شده است ، اما تغییرات داخلی وجود دارد و محلول تازه، لایه نازك باکیفیت عالی تري را نتیجه می دهد.
بحث ونتیجه گیري
طرح پراشی XRD گرفته شده برروي هر دو نمونه کلسینه شده در دماهاي 600°C و 700°C به ترتیب درشکلهاي 1 و 2 نشان داده شده است. ملاحظه می شود که ساختار پروسکایت تنها در نمونه پخته شده در دماي 700°C ایجاد شده است و براي نمونه کلسینه شده در دماي 600°C همه پیکهاي مشخصه و تیز ساختارPZT ،در مقایسه با مرجع موجود، ایجادبعلاوهنشده است. وجود پیکهاي اضافی احتمالا به علت وجود حلالهاي آلی باقیمانده در نمونه و در این دما است.
آنالیز ترکیبی که با استفاده از دستگاه XRD - مدل - Philips انجام گرفت نشان داد که نمونه کلسینه شده در دمايداراي700°C ساختار Pb - Zr0.58Ti.42O3 - ،یا به اختصار - 58/42 و - PZT است بعلاوه شدیدترین پیک در زاویه 2θ ≈31.5° مربوط به پراش از دسه صفحات - 110 - می باشد. مطالعات SEM بروي قرصهایی که در دماي 900°C و 1000 °C که به مدت دو ساعت سینتر شده بود ، نشان داد که این دما ها براي سینترینگ نانو پودرهاي بدست امده بسیار بالاست بطوري که دانه هاي PZT مرز مشخصی نداشته و بخصوص در دماي سینترینگ 1000 °C درون هم فرو رفته بودند.
