9
PMP14 สมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุเซรามิก Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 Dielectric Properties of Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 สุวิมล วงศรีเทพ (Suwimon Wongshritep)* ดร.ประสิทธิ ์ ทองใบ (Dr.Prasit Thongbai)** บทคัดย่อ งานวิจัยนี ้ ได้สังเคราะห์วัสดุเซรามิก Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 ( x = 0. 00, 0. 01 และ 0. 025) โดยใช้วิธีปฏิกิริยา ของแข็งและเผาแคลไซน์ที่อุณหภูมิ 600 o C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ผงที่ผ่านการเผาแคลไซน์ถูกนามาขึ ้นรูปและเผาผนึกทีอุณหภูมิ 1050 o C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ผลการทดลองพบว่าการเจือไอออนของ Pb 2+ สามารถยับยั ้งการเติบโตของเกรน โดยเกรนจะมีขนาดลดลงจาก 75.67 ถึง 10.24 m ตามการเพิ ่มของปริมาณการเจือ Pb 2+ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก () ของ ทุกวัสดุตัวอย่างมีค่าประมาณ 10 4 ในช่วงความถี10 2 - 10 6 Hz และ โดยค่า ที่ความถี1 kHz และที่อุณหภูมิห้องของ วัสดุเซรามิก Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 (x = 0.00, 0.01 และ 0.025) มีค่าเท่ากับ 18,800, 43,400 และ 15,300 ตามลาดับ ส่วนค่า แทนเจนต์ของการสูญเสียทางไดอิเล็กตริก (tan) มีค่า 0.185, 0.092 และ 0.024 ตามลาดับ การเจือไอออนของ Pb 2+ ใน ปริมาณที่เหมาะสมสามารถลดค่า tan ของวัสดุเซรามิก Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 ได้ จากการศึกษาด้วยใช้เทคนิคการ วิเคราะห์เชิงอิมพีแดนซ์สามารถยืนยันได้ว่าขอบเกรนของวัสดุมีสมบัติทางไฟฟ้าเป็นฉนวนและภายในแกรนของวัสดุ เป็นสารกึ ่งตัวนา ABSTRACT This research, Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 (x = 0.00, 0.01 and 0.025) ceramics have been prepared by a solid state reaction method and calcined at 600 o C for 12 h. Then sintered at 1050 o C for 2 h. The results showed that a grain size decreases with increasing Pb 2+ doping ions. Their sizes ranged from 75.67 10.24 m that substitution Pb 2+ ions can inhibit the grain growth. At 1 kHz and room temperature, the dielectric constant () of Ca 1-x Pb x Cu 3 Ti 4 O 12 ceramics with x = 0.00, 0.01 and 0.025 are 18,800, 43,400 and 15,300, respectively, whereas the dielectric loss tangent (tan) are 0.185, 0.092 and 0.024, respectively. A suitable concentration of Pb 2+ doping ions can cause a decrease in tan. According to the impedance spectroscopy analysis, it is confirmed that the electrical properties of the grain are a semiconductor and grain boundary are an insulator . คาสาคัญ: สมบัติทางไดอิเล็กตริก ค่าแทนเจนต์ของการสูญเสียทางไดอิเล็กตริก เซรามิก Keywords: Dielectric permittivity, Dielectric loss tangent, Ceramics * นักศึกษา หลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ** ผู ้ช่วยศาสตราจารย์ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น 399

PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14

สมบตทางไดอเลกตรกของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 Dielectric Properties of Ca1-xPbxCu3Ti4O12

สวมล วงศรเทพ (Suwimon Wongshritep)* ดร.ประสทธ ทองใบ (Dr.Prasit Thongbai)**

บทคดยอ

งานวจยน ไดสงเคราะหวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 (x = 0.00, 0.01 และ 0.025) โดยใชวธปฏกรยาของแขงและเผาแคลไซนทอณหภม 600 oC เปนเวลา 12 ชวโมง ผงทผานการเผาแคลไซนถกน ามาขนรปและเผาผนกทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง ผลการทดลองพบวาการเจอไอออนของ Pb2+ สามารถยบย งการเตบโตของเกรน โดยเกรนจะมขนาดลดลงจาก 75.67 ถง 10.24 m ตามการเพมของปรมาณการเจอ Pb2+ คาคงทไดอเลกตรก () ของทกวสดตวอยางมคาประมาณ 104 ในชวงความถ 102- 106 Hz และ โดยคา ทความถ 1 kHz และทอณหภมหองของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 (x = 0.00, 0.01 และ 0.025) มคาเทากบ 18,800, 43,400 และ 15,300 ตามล าดบ สวนคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก (tan) มคา 0.185, 0.092 และ 0.024 ตามล าดบ การเจอไอออนของ Pb2+ ในปรมาณทเหมาะสมสามารถลดคา tan ของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ได จากการศกษาดวยใชเทคนคการวเคราะหเชงอมพแดนซสามารถยนยนไดวาขอบเกรนของวสดมสมบตทางไฟฟาเปนฉนวนและภายในแกรนของวสดเปนสารกงตวน า

ABSTRACT This research, Ca1-xPbxCu3Ti4O12 (x = 0.00, 0.01 and 0.025) ceramics have been prepared by a solid state reaction method and calcined at 600 oC for 12 h. Then sintered at 1050 oC for 2 h. The results showed that a grain size decreases with increasing Pb2+ doping ions. Their sizes ranged from 75.67 – 10.24 m that substitution Pb2+ ions can inhibit the grain growth. At 1 kHz and room temperature, the dielectric constant () of Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ceramics with x = 0.00, 0.01 and 0.025 are 18,800, 43,400 and 15,300, respectively, whereas the dielectric loss tangent (tan) are 0.185, 0.092 and 0.024, respectively. A suitable concentration of Pb2+ doping ions can cause a decrease in tan. According to the impedance spectroscopy analysis, it is confirmed that the electrical properties of the grain are a semiconductor and grain boundary are an insulator. ค าส าคญ: สมบตทางไดอเลกตรก คาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก เซรามก Keywords: Dielectric permittivity, Dielectric loss tangent, Ceramics * นกศกษา หลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ** ผชวยศาสตราจารย ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

399

Page 2: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-2

บทน า ในปจจบนวสดอเลกทรอนกสไดรบการพฒนาไปอยางรวดเรว โดยมการคนควาพฒนาใหอปกรณอเลกทรอนกส ตาง ๆ มประสทธภาพการท างานสง แตมขนาดเลกลงจากระดบไมโครเขาสระดบนาโน และสมบตทางดานไฟฟาเปนสวนส าคญทสด ทสงผลใหอปกรณเลกทรอนกสท างานไดดขน เชน น าไฟฟาไดดขน มความจไฟฟาสงขน เปนตน การศกษาสมบตทางไดอเลกตรกและวสดทมคาคงทไดอเลกตรกสง (High dielectric constant materials) จงไดรบความสนใจเปนอยางมาก เนองจากสามารถน าไปประยกตและพฒนาอปกรณอเลกทรอนกทส าคญ เชน ตวเกบประจ (Capacitor) สงประดษฐความจ า (memory devices) เปนตน โดยวสดทมคาคงทไดอเลกตรกทสงนนมบทบาทส าคญในการพฒนาอปกรณอเลกทรอนกสเปนอยางมากโดยคาคงทไดอเลกตรกสถต (static dielectric constant, s) ของวสดจะเปนปจจยหลกในการลดขนาดและคงประสทธภาพของอปกรณอเลกทรอนกสเหลานได (Homes et al., 2001) โดยทวไปแลววาวสดทมโครงสรางแบบเพอรอฟสไกต (perovskites) นนจดเปนกลมทมคาคงทไดอเลกตรก (dielectric constant, ) ทสง และมการน ามาผลตเปนอปกรณอเลกทรอนกสกนอยางแพรหลายในปจจบน วสดเพอรอฟสไกตทมคาไดอเลกตรกสงสามารถแบงออกเปนไดสองกลม โดยกลมแรกคอ วสดเฟอรโรอเลกตรกแบบปกต (normal-ferroelectric) เชน BaTiO3 และ Pb(zr,Ti)O3 (PZT) และกลมทสองคอ วสดเฟอรโรอเลกตรกแบบรแลกเซอร (relaxor-ferroelectric) ซงไดแก Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN), PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN) และ (Bi, Sr)TiO3 แตคาคงทไดอเลกตรกของวสดทงสองกลมนเปลยนแปลงตามอณหภมเปนอยางมาก ท าใหเกดผลเสยและเปนขอจ ากดในการท าอปกรณอเลกทรอนกสเปนอยางมาก (Wu et al.,2003) เชน ในการประดษฐตวเกบประจทตองการความเสถยร หากวสดมการเปลยนแปลงตามอณหภมมากแลวจะท าใหสงประดษฐเสยหายได นอกจากนแลววสดกลมเฟอรอฟสไกต โดยสวนใหญมตะกว (lead) เปนองคประกอบ ซงเปนททราบกนดอยแลววาตะกวนนเปนสารพษ แมวาจะใหคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก (dielectric loss tangent, tan) นอยกวา 0.025 กตาม (Moulson and Herbert, 2003) ดงนนวสดทมคาคงทไดอเลกตรกสง คาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกต า และไมมตะกวเปนองคประกอบจงไดรบการสนใจและมการศกษาอยางกวางขวาง

ตอมาไดมรายงานการคนพบออกไซนเพอรอฟสไกต CaCu3Ti4O12 (CCTO) ซงมคาคงทไดอเลกตกสงมาก โดยคาคงทไดอเลกตรกประมาณ 105 (ทอณหภมหองและทความถ 1 kHz) และคอนขางคงทในชวงอณหภม 100 - 600 K (Ramirez et al.,2000) นอกจากนแลว CCTO นนยงไมมองคประกอบของตะกว (lead) จากคณสมบตดงกลาวท าให CCTO เปนวสดทนาสนใจและไดรบการศกษาอยางกวางขวาง (Wu et al., 2003)

แม CCTO จะมคณสมบตทด คอ มคาคงทไดอเลกตรกสงและเปลยนแปลงตามอณหภมนอยกวา ±15% เมอเทยบกบคา ทอณหภมหอง ยงคงมคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก (tan) ทสงเกนกวา 0.025 ซงเปนคามาตรฐานทก าหนด (CCTO มคา tan > 0.1) (Subramanian et al., 2000) ดงนนงานวจยจะมงประเดนในสวนของการพฒนาคณสมบต คอตองการเพมคาคงทไดอเลกตรกและการลดคาการสญเสยทางไดอเลกตรกของวสดดงกลาว เพอทจะสามารถน าวสดทศกษาไปใชท าอปกรณอเลกทรอนกสและใชงานไดจรง

การปรบปรงคาคงทไดอเลกตรกใหดยงขน นนคอการลดคาการสญเสยทางไดอเลกตรกของวสด (tan) โดยหนงในวธการในการปรบปรงคณสมบตดงกลาวคอ การเจอไอออนโลหะตาง ๆ เพอแทนทต าแหนงของไอออนบวกในโครงสรางของวสด ดงนนในงานวจยนจงไดมงเนนเพอท าสารสงเคราะหและศกษากระบวนการเตรยมวสดเซรามก CCTO ทเจอดวยไอออนโลหะ Pb2+ ในปรมาณเลกนอย เพอเขาไปแทนทต าแหนงไอออนบวกในโครงสรางดวยวธปฏกรยาของแขง (Solid state reaction) โดยคาดหวงวาการเจอดวยไอออนโลหะ Pb2+ เขาไปในวสดเซรามก นนจะ

400

Page 3: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-3

สามารถปรบปรงคณสมบตทางไดอเลกตรกของวสดเซรามก โดยสามารถเพมคาคงทไดอเลกตรก () และสามารถลดคาการสญเสยทางไดอเลกตรกของวสด (tan) และสามารถน าความรไปใชในการปรบปรงและพฒนาเทคโนโลยอเลกทรอนกสเพอเปนประโยชนในอนาคต วตถประสงคการวจย

1. เพอสงเคราะหวสดเซรามก CCTO ทเจอไอออนโลหะ Pb2+ 2. เพอศกษาโครงสรางผลกและโครงสรางทางจลภาคของวสดเซรามกทสงเคราะหได 3. เพอปรบปรงสมบตทางไดอเลกตรกของวสดเซรามก CCTO 4. เพอศกษาผลของการเจอไอออนโลหะ Pb2+ ลงไปในวสด CCTO ในอตราสวนตางๆทมผลตอโครงสรางทาง

จลภาค และสมบตทางไดอเลกตรกของวสด CCTO วธการวจย

การสงเคราะหวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 (x = 0.00, 0.01 และ 0.025) ทเตรยมโดยใชวธปฏกรยาของแขง (Solid state reaction) ในขนตอนแรกเรมตนจากการเตรยมผสมสารตงตน CaCO3, CuO, TiO2 และ PbO ในอตราสวนตางๆ หลงจากนนผสมสารตงตนโดยเทคนคการบดดวยลกบอลเปยก (wet ball milling) โดยใชเอทานอลเปนตวท าละลาย เปนเวลา 24 h หลงจากนนน าไปอบจนแหง ผงทแหงถกน ามาบดใหละเอยด แลวน าไปเผาแคลไซน (calcination) ทอณหภม 600 oC เปนเวลา 6 ชวโมง จากนนน ามาบดใหละเอยดและรอนผานตะแกรงกรองทมขนาด 150 ไมโครเมตร จากนนน าไปเผาแคลไซนทอณหภม 600 oC เปนเวลา 6 ชวโมง อก 1 รอบและน ามาบดรอนผานตะแกรงกรองอกครง สดทายน าวสดผงทละเอยดไปขนรปโดยการอดแรงดนแบบทศทางเดยวแลวน าวสดทขนรปแลวไปเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง

การศกษาเฟสองคประกอบโครงสรางผลกของวสดทสงเคราะหได จะใชเทคนคการเลยวเบนรงสเอกซ ซงเทคนคนอาศยหลกการเลยวเบนและการกระเจงของรงสเอกซ ขอมลทไดนนจะบงบอกถงสารทเปนองคประกอบในวสดทสงเคราะหได และการศกษาโครงสรางทางจลภาค จะใชเทคนคการถายภาพดวยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด เปนเทคนคทบงบอกถงลกษณะพนผวของโครงสรางขนาดและรปรางของเกรน

วสดทผานการสงเคราะหแลว จะถกน ามาศกษาสมบตทางไดอเลกตรกโดยใชเครองมอ Impedance ทตงอย ณ ภาคฟสกส มหาวทยาลยขอนแกน ซงคาทวดไดนนจะอยในรปของคาความจไฟฟา (capacitance, C) และคาแทนเจนตของการสญเสย (tan) โดยในงานวจยนจะวดคาในชวงความถ 102- 107 Hz ในชวงอณหภม - 60 ถง 210 oC ซงคาทไดนสามารถน าไปค านวณคาคงทไดอเลกตรกของวสดได ผลการวจย ผลการศกษาการเกดเฟสและโครงสรางของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12

จากกราฟความสมพนธระหวางรปแบบการเลยวเบนกบมมการเลยวเบนรงสเอกซ โดยใชมม 2 เรมตนท 25 องศา และสนสด 65 องศา ดงแสดงในภาพท 1 พบวา วสดเซรามกทกตวอยางทสงเคราะหได มโครงสรางแบบลกบาศก สอดคลองกบขอมลมาตรฐาน (JCPDS 75-2188) ไมพบเฟสเจอปน จนกระทงปรมาณไอออนโลหะ Pb2+ ทเงอนไข x = 0.025 ปรากฏวาตรวจพบเฟส CuO ในปรมาณทเลกนอย ซงเกดจากปฏกรยาระหวางสารตงตนกบสารทเจอ นอกจากน

401

Page 4: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-4

รปแบบการเลยวเบนรงสเอกซ สามารถค านวณคาแลตทชพารามเตอร (a) ของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทสงเคราะหได โดยมคา a = 7.395 Å โดยมขนาดใหญกวา CaCu3Ti4O12 ซงคาแลตทซพารามเตอรทเพมขน บงบอกวา Pb2+ สามารถเขาไปแทนทต าแหนงของ Ca2+ ทอยภายในโครงสรางของ Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ไดจรง

ภาพท 1 รปแบบการเลยวเบนรงสเอกซในวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทผานการเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง เมอ (a) x = 0.00 (b) x = 0.01 (c) x = 0.025

ผลการศกษาลกษณะสณฐานของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 โดยเทคนค SEM การศกษาลกษณะพนผวของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 (x = 0.00, 0.01 และ 0.025) เพอศกษาการอด

แนนของวสดโดยดจากการเกดรพรนและขนาดของเกรน ในวสดทผานการเผาผนกทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง การหาขนาดของเกรนเฉลยจากภาพถายโดยใชเทคนค SEM โดยการวเคราะหจากภาพถายเกรนเฉลยมขนาด 75.67, 14.52, และ 10.24 m ตามล าดบ จะเหนวาเกรนมขนาดเลกลง เมอเพมไอออนโลหะ Pb2+ มากขน

402

Page 5: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-5

ภาพท 2 ภาพถายพนผวโดยเทคนค SEM ของวดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทผานการเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง เมอ (a) x = 0.00 (b) x = 0.01 (c) x = 0.025

ผลการศกษาสมบตทางไดอเลกตรกของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทเปลยนตามความถ คาคงทไดอเลกตรกของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ผานการเผาผนก (sintering) อณหภม 1050 oC เปน

เวลา 2 ชวโมง ทวดตามความถในชวง 102- 107 Hz ณ อณหภมหองแสดงดงภาพท 3 (a) คาคงทไดอเลกตรกของทกสารตวอยางมคาทสง โดยทความถ 1 kHz คาคงทไดอเลกตรกท x = 0.00, x = 0.01 และ x = 0.025 มคา 18,800, 43,400 และ 15,300 ตามล าดบ เมอเจอไอออนโลหะ Pb2+ มากขนจะท าใหเกรนมขนาดทลดลงและสงผลใหขอบเกรนมความหนาทมากขน ท าใหคาคงทไดอเลกตรกมคาลดลงซงเปนไปตามทฤษฎโครงสรางแบบ IBLC และทนาสนใจคาคงทไดอเลกตรกของสารตวอยางท x = 0.01 และ x = 0.025 มคาคอนขางคงทในชวงความถ 102-107 Hz นอกจากนทความถ 1 kHz คาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกดงแสดงในภาพ 3 (b) ท x = 0.00, x = 0.01 และ x = 0.025 มคา 0.185,

50 µm

(a)

30 µm

(b)

30 µm

(c)

403

Page 6: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-6

0.092 และ 0.024 ตามล าดบ ซงจะเหนวาทเงอนไข x = 0.025 มคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกต าทสด ในขณะทคาคงททางไดอเลกตรกยงมคาคอนขางสง แตเมอความถเพมขน คาคงทไดอเลกตรกจะลดลง ซงเปนผลมาจากกระบวนการรแลกเซชนและกระบวนการโพลาไรเซซนท เกดจากการตอบสนองทางไฟฟาขององคประกอบตาง ๆ ในวสด และลดลงอยางฉบพลนทความถ 107 Hz พฤตกรรมดงกลาวน เรยกวา พฤตกรรมการผอนคลายทางไดอเลกตรก สาเหตทความถต า คาคงทไดอเลกตรกจะมคาทสง เนองจากไดโพลไฟฟามการตอบสนองทางไฟฟาไดอยางสมบรณ หรอเวลาในการกลบทศสนามไฟฟาของไดโพลไฟฟามมากพอ แตเมอความถมากขนการกลบทศของไดโพลไฟฟาเกดขนไมสมบรณ หรอการกลบทศของไดโพลไฟฟาตามสนามไฟฟาเกดขนไดยาก สงผลใหคาคงทไดอเลกตรกลดลง ซงกสอดคลองกบการเพมขนของคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก

ภาพท 3 การเปลยนแปลงกบความถของ (a) คาคงทไดอเลกตรกและ (b) คาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกของวดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทผานการเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง ในชวงความถ 100 Hz ถง 10 MHz

404

Page 7: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-7

ผลการศกษาสมบตทางไดอเลกตรกของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทเปลยนตามอณหภม การเปลยนแปลงกบอณหภมของคาคงทไดอเลกตรกทความถ 1 k Hz ของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 เมอ

x = 0.00, 0.01 และ 0.025 ดงแสดงในภาพท 4 พบวาคาคงทไดอเลกตรกของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทเงอนไข x = 0.00 หรอวสดเซรามก CCTO มคาเปลยนแปลงอยางรวดเรวเมออณหภมมากกวา 50 oC ในขณะทเงอนไข x = 0.01 และ x = 0.025 คาคงทไดอเลกตรกคาคอนขางคงทตลอดชวงอณหภม -60 ถง 210 oC และเมออณหภมสงขน คาคงทไดอเลกตรกจะมคาเพมตาม สวนคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรก ทเงอนไข x = 0.00 กเปลยนแปลงกบอณหภม สวนเงอนไข x = 0.01 และ x = 0.025 คอนขางคงทตลอดชวงอณหภม -60 ถง 100 oC และสงขนเมออณหภมเพมขน เชนเดยวกน

ภาพท 4 การเปลยนแปลงกบอณหภมทความถ 1 kHz ของ (a) คาคงทไดอเลกตรกและ (b) คาแทนเจนตของการสญเสย

ทางไดอเลกตรกของวดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ทผานการเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง ในชวงอณหภม -60 ถง 210 oC

-50 0 50 100 150 20010

2

103

104

105

106

x = 0.00

x = 0.01

x = 0.025

'

Temperature (oC)

405

Page 8: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-8

ผลการศกษาสมบตทางไฟฟาของวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 โดยเทคนค Impedance spectroscopy อมพแดนซเชงซอนประกอบดวยสวนจรงและสวนจนตภาพ เมอเขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวางสวน

จรงและสวนจนตภาพ กราฟจะเปนรปครงวงกลมอมพแดนซดงภาพท 5 โดยแนวโนมของเสนผานศนยกลางจะใหญขนเมออณหภมลดต าลง โดยทอณหภมต า ดงภาพแทรก จะพบวาเสนสเปกตรมอมพแดนซไมบรรจบทศนย แสดงวามครงวงกลมอมพแดนซสองวง ซงมาจากการตอบสนองทางไฟฟาทเกดจากสององคประกอบภายในเกรน โดยวงเลก คาความตานทานนอย สอดคลองกบคาความตานทานของเกรน และวงทมเสนผานศนยกลางใหญกวา คาความตานทานมาก สอดคลองกบคาความตานทานของขอบเกรน ซงลกษณะโครงสรางทางจลภาคเชนน เรยกวา ตวเกบประจแบบชนขวางกนภายใน (internal barrier layer capacitors, IBLC) (Sinclair et al., 2002; Adams et al., 2006) กลไกการโพลาไรเซชนในวสดทมโครงสรางแบบ IBLC น เกดจากโพลาไรเซชนทบรเวณผวรอยตอ (interfacial polarization) ในปจจบนเปนทยอมรบโดยทวไปวาเกดขนทผวสมผสระหวางเกรน หรอทเรยกวาขอบเกรน (grain boundary) ของวสดเซรามก และเนองจากขอบเกรนของวสดมสมบตเปนชนฉนวนไฟฟา เมอใหสนามไฟฟาจากภายนอก ประจอสระทอยภายในเกรนจะไมสามารถเคลอนทผานขอบเกรนได จงสงผลใหเกดการสะสมประจทบรเวณขอบเกรนของวสด หรอเรยกวาการโพลาไรเซชนทขอบเกรน ท าใหการโพลาไรเซชนทบรเวณนมความเขมสงมาก เปนสาเหตใหวสดมคาคงทไดอเลกตรกสง

ภาพท 5 กราฟแสดงความสมพนธระหวางสวนจรง (Z) และสวนจนตภาพ (Z) ของคาอมพแดนซเชงซอน (Z) ส าหรบวสดเซรามก Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ท x = 0.025 โดยเผาผนก (sintering) ทอณหภม 1050 oC เปนเวลา 2 ชวโมง ในชวงอณหภม 120 ถง 200 oC และภาพแทรก แสดงในชวงอณหภม 20 ถง 60 oC

406

Page 9: PMP14 - Khon Kaen University...ต างๆ หล งจากน นผสมสารต งต นโดยเทคน คการบดด วยล กบอลเป ยก

PMP14-9

อภปรายและสรปผลการวจย เมอเจอไอออนโลหะ Pb2+ เขาไปใน Ca1-xPbxCu3Ti4O12 ในปรมาณทเหมาะสม จะสามารถลดคาแทนเจนตของ

การสญเสยทางไดอเลกตรกของวสดลงได วดทความถ 1 kHz และอณหภม 25 oC ซงเปนความถและอณหภมทถกพจารณาตอการน ามาประยกตใชงาน โดยปรมาณทเหมาะสมในการทดลองน คอการเจอไอออนโลหะ Pb2+ ท x = 0.025 ซงมคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกเทากบ 0.024 ในขณะทคาคงทไดอเลกตรกยงคงมคาคอนขางสง คอ 15,300 คาคอนขางคงทในชวงความถ 102-106 Hz และคอนขางคงทตลอดชวงอณหภม -60 ถง 210 oC ดวย สาเหตเนองจากการเจอไอออนของ Pb2+ เขาไปแทนทต าแหนงของ Ca2+ สามารถสงผลตอการปรบปรงสมบตทางไฟฟาทขอบเกรน (Sinclair et al., 2002) โดยคาดวาหากเพมปรมาณการเจอไอออนโลหะ Pb2+ มากขน คาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกมแนวโนมลดต าลง แตเปนททราบกนดวาไออนโลหะ Pb2+กอใหเกดพษ ดงนนในการทดลองนจงไดมงเนนศกษาผลของการเจอในปรมาณทนอยมาก เพอไมใหสงผลกระทบตอคณภาพชวต โดยท าการเจอแคเพยงปรบปรงคาแทนเจนตของการสญเสยทางไดอเลกตรกใหนอยกวาคามาตรฐานก าหนด ( tan < 0.025) เพอสามารถน าไปประยกตในการประดษฐตวเกบประจไดในอนาคต กตตกรรมประกาศ การศกษาครงนขอขอบคณ ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ทใหการสนบสนนการใชเครองมอในการท างานวจยครงน และขอขอบคณ ผศ.ดร. ประสทธ ทองใบ ทใหค าปรกษาในการท างานวจย เอกสารอางอง Adams TB, Sinclair DC, West AR. Influence of processing condition on the electrical propertiesof CaCu3Ti4O12 ceramics. Journal of American Ceramic Society 2006; 89(10): 3129-3135. Homes CC, Vogt T, Shapiro SM, Wakimoto S, Ramirez AP. Optical response of high-dielectric-constant perovskite-

related oxide. Science 2001; 293: 673. Moulson AJ. and Herbert JM. Electroceramics (2nd edition). New York: John Wiley & Sons Inc 2003; 310-311. Ramirez A.P., Subramanian M.A., Gardel M., Blumberg G., Li D., Vogt T. and Shapiro S.M. Giant dielectric

constant response in a copper-titanate. Solid State Communications 2000; 115: 217-220. Subramanian MA, Li D, Duan N, Reisner BA, Sleight AW . High dielectric constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 phases. Journal of Solid State Chemistry 2000; 151: 323-325. Sinclair DC., Adams TB., Morrison FD. and West AR. CaCu3Ti4O12: One-step internal barrier layer capacitor. Applied Physics Letters 2002; 80: 2153-5. Wu J.B., Nan J., Nan C.W., Lin Y., Deng Y. and Zhao S. Analysis of AC electrical properties of (Li and Ti)-doped

NiO. Materials Science and Engineering 2003; 99: 294–297.

407