Анализ структуры новой бессвинцовой керамики NaBiNbScO6

А.И. Бочаров, аспирант, Н. А. Толстых, А. А. Гребенников

Кафедра физики твёрдого тела

До настоящего времени остаётся не решенным вопрос о замене содержащих свинец сегнетоэлектрических материалов, базирующиеся на твердых растворах Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) [1], широко применяемых в различных областях промышленности и приборостроения на менее токсичные соединения. Это влечёт за собой загрязнение окружающее среды и нанесение вреда здоровью человека. Исходя из этого целью данной работы являлось получение и экспериментальное исследование кристаллической структуры нового материала NaBiNbScO₆ в котором, согласно теоретическим предсказаниям [2], можно ожидать возникновения сегнетоэлектрического состояния.

Образцы исследуемого соединения были получены по стандартной керамической технологии.

П редварительный рентгеноструктурный анализ керамики NaBiNbScO₆ показал, что положение главных рефлексов (рисунок), а также отсутствие их расщеплений и уширений указывает на то, что исследуемое соединение обладает кубической кристаллической решеткой. Большое количество сильных рефлексов соответствовало кубической ячейке с параметром a3.99Å. Остались непроиндицированными несколько слабых рефлексов (рисунок). Уточнение структуры, проведенное при помощи в программа TOPAS 4.2 [3], показало, что атомы Bi и Na имеют одинаковые координаты и тепловые параметры, а их заселенности позиций уточнялись в предположении, что сумма заселенностей равна 1. Аналогичный подход применен для атомов Sc и Nb. Результаты уточнения представлены на вставке к рисуноку. Тепловой параметр атомов, находящихся в позиции «А» (Bi/Na) получился довольно большим, что указывает на случайный характер размещения катионов Bi и Na. Установление разупорядочения потребует дополнительного анализа, и, возможно, очищения образца от примесей (если наличие примесей подтвердится). Заселенности позиций указали, что предполагаемый состав NaBiNbScO₆ действительно является таковым.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-02-00336 р_центр_а)

Литература

1. Глозман И.А. Пьезокерамика. М: Энергия, 1972. 288 с.

2. Зиненко В.И., Замкова Н.Г., Жундин В.С., Павловский М.С. Сегнетоэлектрическая и структурная неустойчивость в двойных перовскитах Me¹⁺Bi³⁺ Nb⁵⁺O₆ (Me¹⁺ = Na, K, Rb; Me³⁺ = Sc, Ga, In, Lu) // ЖЭТФ. – 2012. – Т. 141. – вып. 6. – С. 1093-1101.

3. Bruker A X S 2008 TOPAS V4: General Profile and Structure Analysis Software for Powder Diffraction Data.–User’s Manual (Karlsruhe: Bruker AXS)

УДК 54.057

Получение твёрдого раствора Na(X-1)BixNb(X-1)ScxO3

А.И. Бочаров, аспирант, Н. А. Толстых

Кафедра физики твёрдого тела

Важнейшим этапом в поиске замены свинецсодержащих сегнетоэлектрических керамик является процесс синтеза новых сегнетоэлектрических материалов, не содержащих токсичных компонентов. Это и явилось целью настоящей работы.

Исследуемые соединения с общей формулой Na_(x-1)Bi_xNb_(x-1)Sc_xO₃, х = 0.01, 0.03, 0.07, 0.1, 0.2, 0.3 и 0.4 были приготовлены по стандартной двухстадийной керамической технологии [1]. В качестве исходных компонентов использовали порошки оксида висмута (Bi₂O₃), оксида скандия (Sс₂O₃), оксида ниобия (Nb₂O₅) и карбоната натрия (Na₂CO₃), взятые в стехиометрическом соотношении. Результаты расчёта шихты для состава Na_0,6Bi_0,4Nb_0,6Sc_0,4O₃ в качестве примера приведёны в таблице.

Расчёт состава шихты твёрдого раствора Na_(x-1)Bi_xNb_(x-1)Sc_xO₃ (x=0,4)

Исходные компоненты	x	Молярная масса (M)	x*М	Содержание основного вещества с учётом чистоты (M')	Массовые проценты, w=x*M'/∑x*M', %	Расчёт на 10г.
Na2CO3	0,6	105,985	63,591	63,91055276	13,70098459	1,370098
Bi2O3	0,4	465,957	186,3828	187,319397	40,15706423	4,015706
Nb2O5	0,6	265,807	159,4842	159,5161032	34,19666359	3,419666
Sc2O3	0,4	137,909	55,1636	55,72080808	11,94528759	1,194529
Итого			464,6216	466,4668611	100	10

Исходные компоненты предварительно высушили при температуре 200^˚С в течение 3 часов и перемешивали в агатовой ступке с добавлением ацетона в течение 45 мин. После сушки суспензий при 100^˚С в течение 1 часа, был проведён предварительный синтез при температуре 630^˚С в течении 3-5 часов, необходимый для предотвращения потерь висмута. В дальнейшем температура поднималась до 950^˚С при выдержке отжига 10 – 14 часов.

После стадий синтеза помол составов проводился в агатовой ступке в течение 60 минут. Измельчённый материал подвергался гранулированию для получения частиц материала требуемого размера (60 - 80 мкм). Для стадии спекания керамики были сформованы заготовки в виде дисков высотой - 3 мм, диаметром – 11 мм, методом одноосного прессования при давлении 250 МПа. Спекание заготовок проводили при температурах 1050^˚С – 1100^˚С, в течении 2 – 5 часов.

Электроды были нанесены на параллельные грани образцов методом вжигания серебряной пасты [1] следующего состава: Ag₂CO₃ – 8 частей, канифоль – 1 часть, скипидар – 5 частей, в течние 1 часа при температуре 500^˚С.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-02-00336 р_центр_а)

Литература

1. Глозман И.А. Пьезокерамика. М: Энергия, 1972. 288 с.

УДК 537.633.9