Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)

Представлены результаты исследования физико-химических свойств сегнетоэлектрической-полупроводниковой керамики на основе метатитаната бария (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃, где барий частично замещается редкоземельными элементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного импеданса исследованы зависимости сопротивле...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Вьюнов, О.И., Коваленко, Л.Л., Беляков, В.Н., Белоус, А.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України 2007
Назва видання:	Украинский химический журнал
Теми:	Неорганическая и физическая химия
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185773
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm) / О.И. Вьюнов, Л.Л. Коваленко, В.Н. Беляков, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 9. — С. 29-33. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-185773
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1857732022-10-11T01:24:33Z Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm) Вьюнов, О.И. Коваленко, Л.Л. Беляков, В.Н. Белоус, А.Г. Неорганическая и физическая химия Представлены результаты исследования физико-химических свойств сегнетоэлектрической-полупроводниковой керамики на основе метатитаната бария (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃, где барий частично замещается редкоземельными элементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного импеданса исследованы зависимости сопротивления зерна, внешнего слоя и границ зерен керамики от природы и концентрации редкоземельных элементов (РЗЭ). Установлено, что в иттрийсодержащей керамике основной вклад в эффект положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС) дают электрофизические свойства границ зерна. В то же время в лантан-, самарий- и неодимсодержащей керамике он обусловлен электрофизическими свойствамикак границы зерна, так и внешнего слоя. Повышение степени замещения ионов бария ионами РЗЭ в исследованной области концентраций приводит к понижению величины потенциального барьера на границе зерен и, соответственно, к увеличению варисторного эффекта. Представлено результати дослідження фізико-хімічних властивостей сегнетоелектричної-напівпровідникової кераміки на основі метатитанату барію (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃, де барій частково заміщений рідкісноземельними елементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного імпедансу досліджено залежності опору зерна, зовнішнього шару та границь зерен кераміки від природи і концентрації рідкісноземельних елементів (РЗЕ). Встановлено, що в ітрієвмісній кераміці основний вклад в ефект позитивного температурного коефіцієнту опору (ПТКО) дають електрофізичні властивості границь зерна. В той же час в лантан-, самарій- та неодімвмісній кераміці помітний вклад в ефект ПТКО дають електрофізичні властивості як границь зерен, так і зовнішніх шарів зерен. Підвищення ступеня заміщення йонів барію йонами РЗЕ приводить до зниження величини потенційного бар’єру на границі зерен і, відповідно, збільшення варисторного ефекту. Electrophysical proper ties of ferroelectricsemiconductor ceramics based on barium titanate, (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃, where rare-earth elements (Ln = Y, La, Nd, Sm) partially substituted for barium, have been investigated. Resistances of grains, outer layers and grain boundaries of ceramics as a function of nature and concentration of rare-earth elements (REE) have been studied using method of complex impedance analysis. It has been determined that in yttrium-containing ceramics, the electrophysical properties of grain boundaries give the main contr ibut ion to the effect of positive temperature coefficient of resistivity (PTCR). At the same time, in lanthanum-, samarium- and neodymiumcontaining ceramics, the electrophysical properties of both grain boundaries and outer layers of grains give the notable contribution in PTCR effect. The increase in degree of substitution of REE for barium decreases the value of potential barrier at grain boundaries and, as a result, increases the value of varistor effect. 2007 Article Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm) / О.И. Вьюнов, Л.Л. Коваленко, В.Н. Беляков, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 9. — С. 29-33. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0041–6045 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185773 621.315.592:54-185 ru Украинский химический журнал Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия
spellingShingle	Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия Вьюнов, О.И. Коваленко, Л.Л. Беляков, В.Н. Белоус, А.Г. Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm) Украинский химический журнал
description	Представлены результаты исследования физико-химических свойств сегнетоэлектрической-полупроводниковой керамики на основе метатитаната бария (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃, где барий частично замещается редкоземельными элементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного импеданса исследованы зависимости сопротивления зерна, внешнего слоя и границ зерен керамики от природы и концентрации редкоземельных элементов (РЗЭ). Установлено, что в иттрийсодержащей керамике основной вклад в эффект положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС) дают электрофизические свойства границ зерна. В то же время в лантан-, самарий- и неодимсодержащей керамике он обусловлен электрофизическими свойствамикак границы зерна, так и внешнего слоя. Повышение степени замещения ионов бария ионами РЗЭ в исследованной области концентраций приводит к понижению величины потенциального барьера на границе зерен и, соответственно, к увеличению варисторного эффекта.
format	Article
author	Вьюнов, О.И. Коваленко, Л.Л. Беляков, В.Н. Белоус, А.Г.
author_facet	Вьюнов, О.И. Коваленко, Л.Л. Беляков, В.Н. Белоус, А.Г.
author_sort	Вьюнов, О.И.
title	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)
title_short	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)
title_full	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)
title_fullStr	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)
title_full_unstemmed	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)
title_sort	физико-химические свойства материалов систем (ba₁₋ₓlnₓ)tio₃ (ln — y, la, nd, sm)
publisher	Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Неорганическая и физическая химия
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/185773
citation_txt	Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm) / О.И. Вьюнов, Л.Л. Коваленко, В.Н. Беляков, А.Г. Белоус // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 9. — С. 29-33. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Украинский химический журнал
work_keys_str_mv	AT vʹûnovoi fizikohimičeskiesvojstvamaterialovsistemba1xlnxtio3lnylandsm AT kovalenkoll fizikohimičeskiesvojstvamaterialovsistemba1xlnxtio3lnylandsm AT belâkovvn fizikohimičeskiesvojstvamaterialovsistemba1xlnxtio3lnylandsm AT belousag fizikohimičeskiesvojstvamaterialovsistemba1xlnxtio3lnylandsm
first_indexed	2025-07-16T06:39:23Z
last_indexed	2025-07-16T06:39:23Z
_version_	1837784590955053056
fulltext	НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ УДК 621.315.592:54-185 О.И. Вьюнов, Л.Л. Коваленко, В.Н. Беляков, А.Г. Белоус ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМ (Ba1–хLnх)TiO3 (Ln — Y, La, Nd, Sm) Представлены результаты исследования физико-химических свойств сегнетоэлектрической-полупроводни- ковой керамики на основе метатитаната бария (Ba1–хLnх)TiO3, где барий частично замещается редкоземель- ными элементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного импеданса исследованы зависимости соп- ротивления зерна, внешнего слоя и границ зерен керамики от природы и концентрации редкоземельных элементов (РЗЭ). Установлено, что в иттрийсодержащей керамике основной вклад в эффект положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС) дают электрофизические свойства границ зерна. В то же время в лантан-, самарий- и неодимсодержащей керамике он обусловлен электрофизическими свойствами как границы зерна, так и внешнего слоя. Повышение степени замещения ионов бария ионами РЗЭ в иссле- дованной области концентраций приводит к понижению величины потенциального барьера на границе зе- рен и, соответственно, к увеличению варисторного эффекта . Основой современных активных элементов электрического оборудования и электронных схем (датчики коммутации, системы токовой и тепло- вой защиты) являются сегнетоэлектрические-по- лупроводниковые материалы на основе метати- таната бария благодаря эффекту положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС) [1, 2]. Данные материалы можно получить, например, гетеровалентным замещением бария редкоземельными элементами ((Ba1–хLnх)TiO3, где Ln — Y, La, Nd, Sm), при котором образуется полупроводниковый твердый раствор, с последу- ющим окислением границ зерен при спекании керамики на воздухе, что приводит к формиро- ванию потенциального барьера [3, 4]. На эффект ПТКС влияет химическая, а, следовательно, и электрофизическая неоднородность зерна: полу- проводниковый объем зерна, диэлектрические границы зерен и внешний слой зерна, который, находясь между границей зерна и самим зерном, может иметь как полупроводниковые, так и диэ- лектрические свойства [5—7]. Информацию об электрофизических свойствах отдельных облас- тей зерна керамики можно получить методом комплексного импеданса [8, 9], который позволя- ет оценить вклад различных областей зерна в эффект ПТКС. Цель данной работы — исследование элект- рофизических характеристик зерна, внешнего слоя и границ зерна сегнетоэлектрической-полупровод- никовой керамики на основе метатитаната бария (Ba1–хLnх)TiO3 (где Ln — Y, La, Nd, Sm) и оценка вклада каждой области зерна в эффект ПТКС. Исследования выполнены на керамических об- разцах сегнетоэлектрического-полупроводнико- вого метатитаната бария с различной концентра- цией редкоземельных элементов, полученных ме- тодом твердофазных реакций. В качестве исход- ных реагентов использовали карбонат бария, ди- оксид титана и оксиды редкоземельных элемен- тов квалификации ос.ч. Стехиометрические коли- чества исходных реагентов смешивали и гомоге- низировали на вибромельнице с использовани- ем бидистиллированной воды и материалов, иск- лючающих намол. Полученную шихту высушива- ли, просеивали через капроновое сито и синтези- ровали при ≈1150 оС. В синтезированную шихту вводили связующее, образцы прессовали и обжи- гали при ≈1360 оС. Рентгеновские исследования проводили на ди- фрактометре ДРОН-4-07 (CоКα-излучение), под- ключенного через интерфейс к компьютеру. Съем- ку рентгенограмм осуществляли в пошаговом ре- жиме в интервале 2θ = 10—150о с шагом ∆2θ = 0.02о и экспозицией 10 с. В качестве внешних стан- дартов применяли SiO2 (стандарт 2θ) и Al2O3 (стандарт интенсивности). Для исследования электрофизических свойств использовали цилиндры диаметром 10 мм и тол- щиной 1 мм. В качестве электродов применяли алю- миний, который наносили, вжигая алюминиевую пасту. Измерения проводили при температуре © О.И . Вьюнов, Л.Л. Коваленко, В.Н . Беляков, А.Г. Белоус , 2007 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 9 29 20—320 оС на постоянном токе, а также в частот- ном диапазоне 100 Гц—1 МГц при помощи 1260 Impedance/Gain-phase Analyzer (Solartron Analyti- cal). Кратность изменения сопротивления в облас- ти ПТКС определяли как соотношение макси- мального удельного сопротивления (ρмах) к ми- нимальному (ρmin). Коэффициент варисторного эффекта (Квар) определяли по формуле ln(ρE 1 /ρE 2 )/ (E1 – E2), где ρE1 и ρE2 — удельное сопротивле- ние образца при напряженностях электрического поля Е1 и Е2 соответственно. Определение экви- валентной электрической схемы и значений ее ком- понентов проводили при помощи компьютерной программы Frequency Responce Analyser 4.7. Установлено, что наибольшая кратность из- менения сопротивления в области эффекта ПТКС наблюдается в керамике (Ba1–xYx)TiO3 при х= =0.004—0.005, а в керамике (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — La, Nd, Sm, — при значениях х=0.001— 0.002, которые и были выбраны для исследова- ния электрофизических характеристик зерна, внешнего слоя, границ зерна и оценки вклада ка- ждой области зерна в эффект ПТКС. Рентгеновские исследования показали, что керамические образцы в исследуемых диапазонах х являются однофазными и характеризуются тет- рагонально-искаженной перовскитной структу- рой (пространственная группа Р4mm (99), пози- ции и координаты атомов Ba(1b) 1/2 1/2 Z , Ti/M (1a) 0 0 0, O1 (1a) 0 0 Z , O2 (2c) 1/2 0 Z , что со- гласуется с литературными данными [10]. Крис- таллографические и электрофизические парамет- ры исследуемых систем приведены в табл. 1. На температурных зависимостях удельного сопротивления керамики (Ba1–xLnx)TiO3 (где Ln — Y, La, Nd, Sm) при различных значениях х эффект ПТКС наблюдается в интервале темпе- ратур 120—200 оС. При увеличении значения х повышaется удельнoe сопротивлениe в сегнето- электрической области температур, снижается кра- тность изменения сопротивления, расширяется температурная область эффекта ПТКС, а также повышается варисторный эффект. Как показали исследования [11], на изменения данных электро- физических свойств сегнетоэлектрических-полу- проводниковых материалов на основе метатита- ната бария существенно влияет средний размер зерен керамики. Однако в исследуемых диапазо- Т а б л и ц а 1 Кристаллографические и электрофизические свойства сегнетоэлектрической-полупроводниковой керамики (Ba1–хLnх )TiO3, где Ln —Y, La, Nd, Sm Параметр BaTiO3 (Ba1–хYх)TiO3 (Ba1–хLaх)TiO3 (Ba1–хNdх)TiO3 (Ba1–хSmх)TiO3 х=0.004 х=0.005 х=0.001 х=0.002 х=0.001 х=0.002 х=0.001 х=0.002 Параметры элементарной ячейки P4mm a, Ao 3.9941(2) 3.9930(1) 3.9931(2) 3.9931(1) 3.9928(1) 3.9929(1) 3.9927(1) 3.9929(1) 3.9927(1) c, Ao 4.0337(2) 4.0362(1) 4.0355(2) 4.0348(2) 4.0365(1) 4.0359(2) 4.0370(2) 4.0359(2) 4.0370(1) V , Ao 3 64.349(5) 64.354(3) 64.345(5) 64.334(4) 64.352(4) 64.345(4) 64.356(4) 64.345(4) 64.356(4) Факторы достоверности RB, % 4.04 3.31 2.86 3.65 4.15 4.68 3.37 3.36 4.35 R f, % 2.78 2.66 1.87 3.83 4.16 4.80 4.69 3.58 5.19 Электрофизические параметры Pэксп, г/см 3 5.42 5.24 5.49 5.41 5.26 5.39 5.30 5.29 5.17 Pрент, г/см 3 6.022 6.012 6.010 6.020 6.018 6.019 6.018 6.019 6.019 ρ20 oС, Ом⋅см >108 50 100 80 300 80 500 25 245 ρmax/ρmin — 3.4 3.3 3.1 2.8 4.0 3.7 3.3 3.0 Kвар, % — 1.1 6.5 3.1 6.8 3.3 6.4 3.1 6.3 dср, мкм 20 69 70 45 40 55 48 70 68 П р и м е ч а н и е. Pэксп – плотность образца, измеренная пикнометрическим методом; Pрент – рентгеновская плотность образца; ρ20 oС – удельное сопротивление образца при 20 оС; ρmax/ρmin – кратность изменения сопро- тивления; Kвар – коэффициент варисторного эффекта; dср – средний размер зерен. 30 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т. 73, № 9 нах значений х средний размер зерен керамики не изменяется (см. табл. 1). Для выяснения причин из- менения электрофизических свойств керамики в зависимости от природы и концентрации редкозе- мельного элемента методом комплексного импе- данса исследованы электрофизические свойства материалов в широком температурном и частот- ном интервалах. Детально методология исследования сегнето- электрической-полупроводниковой керамики на основе метатитаната бария описана в работе [14]. Первоначально результаты частотных исследова- ний были получены в виде зависимостей Z ’’= f(Z ’) (где Z ’’ и Z ’ — действительная и мнимая часть комплексного импеданса соответственно). Данное представление удобно для определения состава электрической эквивалентной схемы. Для анализа результаты исследований комплексного импедан- са были представлены также в виде частотных за- висимостей мнимых частей комплексного импе- данса Z ’’ и комплексного электрического модуля M ’’. Это позволяет наглядно проследить темпе- ратурные изменения величины каждого из компо- нентов электрической цепи [5—7, 12, 13]. На рис. 1 представлены частотные зависи- мости Z ’’ и M ’’ образцов систем (Ba1–xYx)TiO3 и (Ba1–xSmx)TiO3 (зависимости для керамики со- ставов (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — La, Nd, имеют подобный характер), исследованных в темпера- турном диапазоне, в котором проявляется эф- фект ПТКС. В данном температурном диапазо- не на кривых Z ’’(f) наблюдается один максимум, а на кривых M ’’(f) — два максимума: один — в области средних частот, например, для образца (Ba0.996Y0.004)TiO3 максимум M ’’ наблюдается при 140 оС на частоте f ≈ 104 Гц. Второй максимум M ’’ во всех исследуемых образцах наблюдается в высокочастотной области (f > 108 Гц). Измене- ние величины и положения максимума на кривых Z ’’(f) связано с изменением электрофизических свойств границы зерна. Изменение величины и положения максимума на кривых М ’’(f) в облас- ти средних частот связано с изменением электро- физических свойств внешнего слоя зерна, а в облас- ти >108 Гц — с изменением электрофизических свойств зерна [3—5]. На основании полученных эксперимента- льных данных рассчитаны значения сопротив- ления зерна, внешнего слоя и границ зерна кера- мики систем (Ba1–xYx)TiO3, где х=0.004—0.005, и (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — Y, La, Nd, Sm; х= =0.001—0.002 и их температурные изменения (рис. 2). В системе (Ba1–xYx)TiO3 при х=0.004 величина и характер температурных зависимостей соп- ротивления внешнего слоя и зерна керамики имеют полупроводнико- вый характер (рис. 2, а, кривые 1 и 2), основной вклад в эффект ПТКС вносят изменения электрофизичес- ких свойств границы зерна (см. рис. 2, а, кривая 3). При увеличении значения х до 0.005 электрофизичес- кие свойства зерна практически не изменяются, в то время как вклад в эффект ПТКС дают электрофизи- ческие свойства границы зерна и внешнего слоя зерна (см. рис. 2, б, кривые 2 и 3). Отличием керамики составов (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — La, Nd, Sm, является то, что неза- висимо от содержания редкозе- мельного элемента, заметный вклад в эффект ПТКС дают электрофизи- ческие свойства границы зерна и внешнего слоя зерна (см. рис. 2, в,г). Для выяснения причины из- менения электрофизических сво- Рис. 1. Частотные зависимости Z ’’ и M ’’ керамики (Ba0.996Y0.004)TiO3 (a); (Ba0.995Y0.005)TiO3 (б); (Ba0.999Sm0.001)TiO3 (в); (Ba0.998Sm0.002)TiO3 (г) при различных температурах. ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 9 31 йств (снижение кратности изменения сопротив- ления, размытие температурной области эффекта ПТКС и повышение варисторного эффекта) по- зисторной керамики (Ba1–хLnх)TiO3, где Ln — Y, La, Nd, Sm, при повышении содержания гетe- ровалентного иона проведен расчет величины по- тенциального барьера на границе зерен. Измене- ние сопротивления в сегнетоэлектрической и па- раэлектрической областях температур описыва- ется уравнениями [12, 17]: ρI = ρ0⋅e (E a I ⁄ kT ) ; ρIII = ρ0 III⋅e (Ea III ⁄ kT ) , (1) где ρ0 и ρ0 III — константы для титаната бария [15]; Ea I и Ea III — энергия активации проводимо- сти в сегнетоэлектрической и параэлектрической областях температур соответственно; k — пос- тоянная Больцмана (1.38⋅10–23 Дж/К = 8.62⋅10–5 эВ/К). Изменение сопротивления в области темпе- ратур, где проявляется эффект ПТКС, обычно описывают, исходя из модели Хейванга [12]: ρ = α⋅ρs⋅e (Ф0(T ) ⁄ k T ) , (2) где α — фактор геометрической конфигурации; Ф0 — высота потенциального барьера на грани- цах зерен: Ф0 = e2nD b2 2εi(T )ε0 , (3) е — заряд электрона (1.602⋅10–19 Кл); nD — объем- ная концентрация электронов; b — толщина по- тенциального барьера (2b = ns/nD, где ns — поверх- ностная концентрация акцепторных состояний); εi(T) — значение диэлектрической проницаемости зерен, которая в сегнетоэлектриках изменяется по закону Кюри–Вейеса: εi(T ) = C T − Θ (где C — по- стоянная Кюри; TC — температура Кюри (для титаната бария C = 1.7⋅105 К ; Θ = 110 оC [17]). Результаты расчетов показывают, что в ке- рамике (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — Y, La, Nd, Sm, с повышением содержания РЗЭ в сегнетоэлект- рической области температур сопротивление об- разца (ρ0 I ) увеличивается, при этом уменьшается энергия активации проводимости (Ea I ); в пара- Рис. 2. Температурная зависимость сопротивления зеp- на (1), внешнего слоя (2) и границы зерна (3) керамики (Ba0.996Y0.004)TiO3 (a); (Ba0.995Y0.005)TiO3 (б); (Ba0.999Sm0.001)TiO3 (в); (Ba0.998Sm0.002)TiO3 (г). Т а б л и ц а 2 Влияние РЗЭ на свойства сегнетоэлектрической-полупроводниковой керамики (Ba1–хLnх)TiO3, где Ln — Y, La, Nd, Sm Параметр (Ba1–хYх )TiO3 (Ba1–хLaх)TiO3 (Ba1–хNdх)TiO3 (Ba1–хSmх)TiO3 х=0.004 х=0.005 х=0.001 х=0.002 х=0.001 х=0.002 х=0.001 х=0.002 ρ0 I , Ом 1.5 2.1 0.26 0.32 0.48 0.87 0.27 1.0 Ea I , эВ 0.09 0.07 0.037 0.01 0.031 0.01 0.024 0.019 4ns 2/n D ,см–1 9.1⋅108 9.8⋅108 5.7⋅108 5.96⋅108 5.22⋅108 1.3⋅109 1.08⋅109 1.12⋅109 ρ0 III, Ом 107 115 101 106 102 125 103 124 Ea III, эВ 0.2 0.4 0.43 0.60 0.38 0.57 0.36 0.69 П р и м е ч а н и е. ρ0 I — Cопротивление образца в сегнетоэлектрической области температур; Ea I — энергия активации проводимости в сегнетоэлектрической области температур; 4ns 2/nD — соотношениe поверхностных концентраций акцепторных состояний ns и объемной концентрации электронов nD; ρ0 III — сопротивление образца в температурной области, находящейся выше эффекта ПТКС; Ea III — энергия активации проводимости в темпе- ратурной области, находящейся выше эффекта ПТКС. 32 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т. 73, № 9 электрической области температур сопротивле- ние образца (ρ0 m) и энергия активации проводи- мости (Ea m) повышаются (табл. 2). С повышением содержания РЗЭ в сегнетоэлектрической-полу- проводниковой керамике величина потенциаль- ного барьера на границе зерна снижается, что и объясняет изменение электрофизических свойств материала. Следует отметить, что с повышением содержания гетеровалентного иона самария в ке- рамике (Ba1–xSmx)TiO3 величина потенциально- го барьера изменяется сильнее по сравнению с изменением величины потенциального барьера на границе зерен керамики (Ba1–xLnx)TiO3, где Ln — La, Nd, что связано со значительным умень- шением сопротивления границ зерна. РЕЗЮМЕ. Представлено результати досліджен- ня фізико-хімічних властивостей сегнетоелектрич- ної-напівпровідникової кераміки на основі метати- танату барію (Ba1–хLn х )TiO3, де барій частково за- міщений рідкісноземельними елементами (Ln — Y, La, Nd, Sm). Методом комплексного імпедансу до- сліджено залежності опору зерна , зовнішнього шару та границь зерен кераміки від природи і концент- рації рідкісноземельних елементів (РЗЕ ). Встанов- лено , що в ітрієвмісній кераміці основний вклад в ефект позитивного температурного коефіцієнту опо- ру (ПТКО) дають електрофізичні властивості гра- ниць зерна . В той же час в лантан-, самарій- та нео- дімвмісній кераміці помітний вклад в ефект ПТКО дають електрофізичні властивості як границь зерен, так і зовнішніх шарів зерен. Підвищення ступеня заміщення йонів барію йонами РЗЕ приводить до зниження величини потенційного бар’єру на границі зерен і, відповідно , збільшення варисторного ефекту. SU MM ARY. Electrophysica l proper ties of ferro- electric-semiconductor ceramics based on barium tita- nate, (Ba1–хLnх)TiO3, where rare-earth elements (Ln = Y, La, Nd, Sm) partially substituted for barium, have been investigated. Resistances of grains, outer layers and grain boundaries of ceramics as a function of natu- re and concentration of rare-earth elements (REE) ha- ve been studied using method of complex impedance ana- lysis. I t has been determined that in yttrium-containing ceramics, the electrophysical properties of grain bounda- ries give the main contr ibut ion to the effect of positi- ve temperature coefficient of resistivity (PTCR). At the same t ime, in lanthanum-, samarium- and neodymium- conta in ing ceramics, the electrophysical properties of both grain boundaries and outer layers of gra ins give the notable contribution in PTCR effect. The increase in degree of substitution of REE for barium decreases the value of potential barrier at grain boundaries and, as a result, increases the value of varistor effect . 1. Ford R., Khan H . // J. Appl. Phys. -1987. -61, № 6. -P. 2381—2386. 2. Padmini P., Hari N.S., Kutty T .R. // Sensors and actuators. A. Physical. -1995. -50, № 1–2. -P. 39—44. 3. V’yunov O.I., Belous A.G. // J. European Ceram. Soc. -1999. -19. -P. 935—938. 4. Sinclair D.C., M orrison F.D., W est A.R . // Int. Ceram. -2000. -2. -P. 33—37. 5. M orrison F.D., S inclair D.C., W est A.R . // J. Amer. Ceram. Soc. -2001. -84, № 2. -P. 474—476. 6. M orrison F.D., S inclair D.C., W est A.R . // Ibid. -2001. -84, № 3. -P. 531—538. 7. Y ammamoto T., Takao S . // Jpn. J. Appl. Phys. -1992. -31. -P. 3120—3123. 8. Hee Y .L., Kyeung H.C., Nam H.-D. // F erroelectric. -1994. -154. -P. 143—148. 9. Evans H.T . // Acta Crystallogr. -1961. -14, № 10. -P. 1645—1654. 10. Белоус А .Г., Колодяжный Т .В., Янчевский О.З. // Укр. хим. журн. -1995. -61, № 8. -С. 86—89. 11. Belous A.G., V’yunov O.I., Kovalenko L.L . // Mat. Res. Bull. -2004. -39. -P. 297—308. 12. H eywang W . // J. Mater. Sci. -1971. № 6. -P. 1214—1226. 13. Dutta P.K., A lim M .A. // Jpn. J. Appl. Phys. -1996. -35, 12A. -P. 6145—6148. 14. Вьюнов О.И., Коваленко Л.Л., Белоус А .Г., Беляков В.Н . // Неорган. материалы. -2003. -39, № 2. -C. 245—252. 15. W ang D.Y ., Umeya K. // J. Amer. Ceram. Soc. -1990. -73, № 3. -P. 669—672. 16. Hari N., Padmini P., Kutty T . // J. Mater. Sci. -1997. -8. -P. 15—23. 17. Heywang W . // J. Amer. Ceram. Soc. -1964. -47, № 10. -P. 484—490. Институт общей и неорганической химии им. В.И . Вернадского Поступила 19.07.2006 НАН Украины, Киев ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 9 33

Физико-химические свойства материалов систем (Ba₁₋ₓLnₓ)TiO₃ (Ln — Y, La, Nd, Sm)

Репозитарії

Схожі ресурси