Projekti / Programi
Odvisnost funkcijskih lastnosti tankih plasti na osnovi okolju prijaznih perovskitov od mikrostrukture in kemijskih homogenosti
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
Raziskovalci (13)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.812 |
Pomen za razvoj znanosti
Tanke plasti na osnovi alkalijskih in zemljoalkalijskih kompleksnih perovskitov bi lahko nadomestile plasti na osnovi svinčevih perovskitov. Slednji imajo veliko dielektričnost, odlične piezo- in feroelektrične lastnosti, vendar so zaradi velike vsebnosti svinčevega oksida, ki presega 60 ut. %, možna nevarnost za okolje. V okviru projekta smo raziskovali plasti na osnovi (K0.5Na0.5)NbO3 , KTa0.6Nb0.4O3 in CaCu3Ti4O12.
Namen našega dela je bil ugotoviti, kako mikrostruktura, usmerjenost perovskitne faze in kemijska homogenost vplivajo na funkcijske lastnosti plasti. Priprava tankih plasti na osnovi alkalijskih niobatov in niobatov tantalatov je namreč zaradi higroskopnosti reagentov in visokega parnega tlaka alkalijskih oksidov pri temperaturah priprave zahtevna, zaradi česar je malo objav o pripravi in električnih lastnostih plasti. Mehanizem nukleacije in kristalizacije v tankih plasteh, pripravljenih s sintezo iz raztopin, še ni poznan, posledično tudi ni znanja o razvoju mikrostrukture.
Pri raziskavah feroelektričnih tankih plasti (K0.5Na0.5)NbO3 na podlagah Pt(111)/TiO2/SiO2/Si smo se osredotočili na vpliv količine in kemijske sestave prebitka alkalij v raztopinah na kristalizacijo in razvoj mikrostrukture plasti. Ugotovili smo, da so monoklinska distorzija perovskitne faze, delež usmerjenosti {100}in velikost zrn večji v plasteh, pripravljenih iz raztopin z večjim prebitkom alkalij. Na osnovi kemijske analize plasti z energijsko-disperzijsko rentgensko spektroskopijo (EDXS) v vrstičnem elektronskem mikroskopu na poljsko emisijo smo zaključili, da je odparevanje kalijevega oksida bolj izrazito kot odparevanje natrijevega oksida. Plasti z enakoosnimi zrni so imele najboljše dielektrične in feroelektrične lastnosti.
Materiali, ki so pri temperaturah uporabe v paraelektrični fazi, kot na primer kalijev tantalatt niobat imajo veliko napetostno odvisnost kapacitivnosti in so zanimivi za brezžične komunikacije. Ugotovili smo, da lahko pripravimo perovskitne plasti KTa0.6Nb0.4O3 na korundnih podlagah z enakomerno, gosto mikrostrukturo iz acetatno-alkoksidnih solov s sintezo s 24-urnim refluksom. Po krajših časih refluksa nismo mogli pripraviti plasti s homogeno mikrostrukturo. Pokazali smo, da imajo plasti, pripravljene z daljšim časom refluksa izrazito večjo dielektričnost in napetostno nastavljiovst, poleg tega pa kažejo frekvenčno odvisnost dielektričnosti, značilno za relaksorje, ki jo lahko popišemo z Vogel-Fulcherjevim zakonom.
Pri tankih plasteh CaCu3Ti4O12 na platiniziranem siliciju smo raziskovali zvezo med frekvenčno odvisno dielektričnostjo in mikrostrukturo. Mikrostruktura plasti, pripravljenih s segrevanjem pri 750 oC, je vsebovala okrog 20 nm velika enakoosna zrna, medtem, ko smo z uporabo nukleacijske plasti pripravili plasti s kolumnarnimi zrni širine nekaj 100 nm. Vrednosti dielektričnosti finozrnatih plasti pri sobni temperature in 1 kHz so bile okrog 1100, medtem ko so plasti s kolumnarnimi zrni dosegle nekajkrat nižje vrednosti. Pokazali smo, da lahko na temeraturno odvisnost dielektričnosti plasti vplivamo tudi z atmosfero med ponovnim segrevanjem.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave funkcijskih keramičnih materialov brez svinca so pomembne za tako za Slovenijo kot za Evropsko skupnost, kar je posledica ne le čedalje večjega zavedanja družbe o nujnosti varovanja okolja in zdravja temveč tudi ustreznih zakonodajnih okvirov v Evropski skupnosti, predvsem Direktive o omejitvi uporabe nevarnih snovi (Restriction of Hazardous Substances Directive - RoHS, 2002/95/EC) in Direktive o odpadni električni in elektronski opremi (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive - WEE, 2002/96/EC). Raziskave feroelektričnih tankih plasti na osnovi kalijevega natrijevega niobata imajo poudarek na odvisnosti funkcijskih lastnosti od mikrostrukture, kemijske homogenosti in od usmerjenosti perovskitne faze. Raziskave plasti kalijevega tantalata niobata so bile usmerjene v študij dielektričnih lastnosti od radiofrekvenčnega do mikrovalovnega področja v odvisnosti od homogenosti mikrostrukture z možnostjo uporabe kot aktivni elementi v mikrovalovnih antenah. Pri raziskavah plasti kalcijevega bakrovega titanata smo spremljali odvisnost dielektričnosti od mikrostrukture. V vseh treh primerih smo pokazali, da lahko dosežemo boljše funkcijske lastnosti plasti z optimizacijo mikrostrukture.
Člani projektne skupine smo oziroma smo bili aktivni v slovenskih Centrih odličnosti Vesolje, znanost in tehnologije (vodja: prof. Tomaž Rodič), Nanocenter (vodja: prof. Dragan Mihailović) in NAMASTE: Napredni materiali in tehnologije prihodnosti (vodja: prof. Marija Kosec). Znanje, ki smo ga pridobili v projektu, je prispevalo tudi k znanju v vseh treh centrih. Kot primer naj navedemo raziskave tankoplastnih kondenzatorjev z napetostno odvisno kapacitivnostjo na osnovi kalijevega tantalata niobata kot fazne sukalnike v mikrovalovnih antenah, kjer v okviru Centra odličnosti VESOLJE v delovnem sklopu Satelitske komunikacije, hibridne antene in radar, sodelujemo z Laboratorijem za sevanje in optiko Fakultete za elektrotehniko. Partner v sklopu je še podjetje Iskra TELA. Raziskave so pomembne tudi za naše vključevanje v projekte Evropske vesoljske agencije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
