ผลกระทบของการลด Cu และเพิ่ม Ti ต่อโครงสร้างทางจุลภาคและสมบัติทางไจแอนท์ไดอิเล็กทริกของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12
Article Sidebar
Main Article Content
บทคัดย่อ
การสังเคราะห์วัสดุเซรามิก CaCu3-xTi4+xO12 ที่มี x = 0 (CCTO) และ 0.09 (CCTO-C/T) โดยใช้วิธีปฏิกิริยาสถานะของแข็ง โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจอิทธิพลของการลด Cu และเพิ่ม Ti ที่ส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติไดอิเล็กทริกของวัสดุเซรามิก CCTO ซึ่งตรวจพบเฟสหลักของ CCTO ที่ได้รับการยืนยันการเกิดเฟสโดยไม่คำนึงถึงความเบี่ยงเบนของอัตราส่วนโมลาร์ของ Cu และ Ti ในวัสดุเซรามิก CCTO-C/T แสดงเฟสทุติยภูมิของ TiO2 และการแยกตัวของ CuO ตามขอบเกรน การปรับอัตราส่วนระหว่าง Cu และ Ti นั้นขัดขวางการเจริญเติบโตของเกรนในวัสดุเซรามิก CCTO-C/T ผลการศึกษาสมบัติทางไดอิเล็กทริกพบว่า วัสดุเซรามิก CCTO และ CCTO-C/T มีการตอบสนองทางไดอิเล็กทริกที่สูงมาก โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกในระดับ 104 และวัสดุเซรามิก CCTO-C/T มีค่าแทนเจต์ของการสูญเสียที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุเซรามิก CCTO จากผลการศึกษาด้วยเทคนิคอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี ได้ยืนยันตอบสนองทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างเกรนที่เป็นสารกึ่งตัวนำและฉนวนบริเวณของขอบเกรน ความต้านทานขอบเกรนของวัสดุเซรามิก CCTO-C/T สูงกว่าวัสดุเซรามิก CCTO ซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดเฟส CuO ตามแนวนขอบเกรน และเฟส TiO2 ที่มาก ส่งผลให้ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระภายในเกรนสารกึ่งตัวนำของเซรามิก CCTO-C/T จึงลดลง และการตอบสนองของไดอิเล็กทริกลดลง การศึกษานี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติไดอิเล็กทริกของเซรามิก CCTO และ CCTO-C/T ซึ่งช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้และการใช้งานที่เป็นไปได้ในด้านเทคโนโลยีต่างๆ
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
References
Adams, T.B., Sinclair, D.C. and West, A.R. (2006). Characterization of grain boundary impedances in fine- and coarse-grained CaCu3Ti4O12 ceramics. Physical review. B, Condensed matter 73(9): 094124.
Bhardwaj, U., Sharma, A., Gupta, V., Batoo, K.M., Hussain, S. and Kushwaha, H.S. (2022). High energy storage capabilities of CaCu3Ti4O12 for paper-based zinc–air battery. Scientific Reports 12(1): 3999.
Cheng, B., Lin, Y.H., Deng, W., Cai, J., Lan, J., Nan, C.W., Xiao, X. and He, J. (2012). Dielectric and nonlinear electrical behaviors in Ce-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Journal of Electroceramics 29(4): 250 - 253.
Jumpatam, J., Prachamon, J., Boonlakhorn, J., Phromviyo, N., Chanlek, N. and Thongbai, P. (2022). Giant dielectric behavior and non-ohmic properties in Mg2++F− co-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Journal of Asian Ceramic Societies. 10(2): 414 - 423.
Kao, K.C. (2004). Dielectric phenomena in solids : with emphasis on physical concepts of electronic processes. Boston: Academic Press.
Lee, S.Y., Kim, H.E. and Yoo, S.I. (2014). Subsolidus Phase Relationship in the CaO–CuO–TiO2 Ternary System at 950ºC in Air. Journal of the American Ceramic Society 97(8): 2416 - 2419.
Lin, Y.H., Cai, J., Li, M., Nan, C.W. and He, J. (2008). Grain boundary behavior in varistor-capacitor TiO2-rich CaCu3Ti4O12 ceramics. Journal of Applied Physics 103: 074111.
Liu, J., Duan, C.G., Yin, W.G., Yin, W.G., Mei W.N., Smith, R.W. and Hardy, J.R. (2004). Large dielectric constant and Maxwell-Wagner relaxation in Bi2/3Cu3Ti4O12. Physical review. B, Condensed matter 70(14): 144106.
Mei, L.T., Hsiang, H.I. and Fang, T.T. (2008). Effect of Copper-Rich Secondary Phase at the Grain Boundaries on the Varistor Properties of CaCu3Ti4O12 Ceramics. Journal of the American Ceramic Society 91(11): 3735 - 3737.
Miao, G., Yin, M., Li, P., Hao, J., Li, W., Du, J., Li, G., Wang, C. and Fu, P. (2021). Effect of Cr addition on the structure and electrical properties of CaCu3Ti4O12 NTC thermistor. Journal of Alloys and Compounds 884: 161066.
Mingmuang, Y., Chanlek, N., Moontragoon, P., Srepusharawoot, P. and Thongbai, P. (2022). Effects of Sn4+ and Ta5+ dopant concentration on dielectric and electrical properties of TiO2: Internal barrier layer capacitor effect. Results in Physics 42: 106029.
Moulson, A.J. and Herbert, J.M. (2003). Electroceramics : materials, properties, applications, 2nd edition. New York: Wiley.
Ni, L. and Chen, X.M. (2009). Enhanced giant dielectric response in Mg-substituted CaCu3Ti4O12 ceramics. Solid State Communication 149(9-10): 379 - 383.
Ni, L. and Chen, X.M. (2010). Enhancement of giant dielectric response in CaCu3Ti4O12 ceramics by Zn substitution. Journal of the American Ceramic Society 93(1): 184 - 189.
Prachamon, J., Boonlakhorn, J., Chanlek, N., Phromviyo, N., Harnchana, V., Srepusharawoot, P., Swatsitang, E. and Thongbai, P. (2022). Enhanced dielectric response and non-Ohmic properties of Ge-doped CaTiO3/CaCu3Ti4O12. Journal of Asian Ceramic Societies 10(2): 473 - 481.
Rahaman, M.N. (2003). Ceramic processing and sintering, 2nd edition. New York: CRC Press.
Rai, V.S., Prajapati, D., Kumar, V., Verma, M.K., Pandey, S., Das, T., Singh, N.B. and Mandal, K.D. (2022). Low temperature synthesis, dielectric and electrical characteristics of Bi2/3Cu3−xNixTi4O12 (where x = 0.05, 0.1, and 0.2) ceramics for the dielectric and electrical properties. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 33(24): 5273 - 5282.
Saengvong, P., Chanlek, N., Putasaeng, B., Pengpad, A., Harnchana, V., Krongsuk, S., Srepusharawoot, P. and Thongbai, P. (2021). Significantly Improved Colossal Dielectric Properties and Maxwell—Wagner Relaxation of TiO2—Rich Na1/2Y1/2Cu3Ti4+xO12 Ceramics. Molecules 26(19): 6043.
Saengvong, P., Chanlek, N., Srepusharawoot, P., Harnchana, V. and Thongbai, P. (2022) Enhancing giant dielectric properties of Ta5+-doped Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 ceramics by engineering grain and grain boundary. Journal of the American Ceramic Society 105(27): 3447 - 3455.
Schmidt, R., Stennett, M.C., Hyatt, N.C., Pokorny, J., Prado-Gonjal, J., Li, M. and Sinclair, D.C. (2012). Effects of sintering temperature on the internal barrier layer capacitor (IBLC) structure in CaCu3Ti4O12 (CCTO) ceramics. Journal of the European Ceramic Society 32(12): 3313 - 3323.
Subramanian, M.A., Li, D., Duan, N., Reisner, B.A. and Sleight, A.W. (2000). High Dielectric Constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 Phases. Journal of Solid State Chemistry 151(2): 323 - 325.
Subramanian, M.A. and Sleight, A.W. (2002). ACu3Ti4O12 and ACu3Ru4O12 perovskites: high dielectric constants and valence degeneracy. Solid State Sciences 4(3): 347 - 351.
Thongbai, P., Jumpatam, J., Putasaeng, B., Yamwong, T. and Maensiri, S. (2012). The origin of giant dielectric relaxation and electrical responses of grains and grain boundaries of W-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Journal of Applied Physics 112(11): 114115.
Thongyong, N., Chanlek, N., Takesada, M. and Thongbai, P. (2023). Origins of high–performance giant dielectric properties in TiO2 co-doped with aliovalent ions via broadband dielectric spectroscopy. Results in Physics 44: 106210.
Vangchangyia, S., Swatsitang, E., Thongbai, P., Pinitsoontorn, S., Yamwong, T., Maensiri, S., Amornkitbamrung, V. and Chindaprasirt, P. (2012). Very Low Loss Tangent and High Dielectric Permittivity in Pure-CaCu3Ti4O12 Ceramics Prepared by a Modified Sol-Gel Process. Journal of the American Ceramic Society 95(5): 1497 - 1500.
Wu, J., Nan, C.W., Lin, Y. and Deng, Y. (2002). Giant Dielectric Permittivity Observed in Li and Ti Doped NiO. Physical Review Letters 89(21): 217601.
Zhang, J., Zheng, J., Liu, Y., Zhang, C., Hao, W., Lei, Z. and Tian, M. (2019). The dielectric properties of CCTO ceramics prepared via different quick quenching methods. Materials Research Bulletin 115: 49 - 54.