Пьезоэлектрический керамический материал со структурой перовскита

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ СО СТРУКТУРОЙ ПЕРОВСКИТА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Троянчук Игорь Олегович Шаповалова Елена Федоровна Чобот Александра Николаевна Мантыцкая Ольга Станиславовна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута-лантана со структурой перовскита, отличающийся тем, что дополнительно содержит ионы марганца в соотношении, соответствующем химической формуле 0,850,151-3, где 0,010,02. Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим керамическим материалам для датчиков различного типа, устройств преобразования электрического сигнала в механические колебания и наоборот. Известен пьезоэлектрический оксидный материал, позволяющий преобразовывать электрические сигналы в механические колебания 1. Этот пьезоэлектрический керамический материал представляет собой феррит висмута 3 и проявляет два типа упорядочения антиферромагнитный дальний порядок ниже 643 К и электрический дипольный порядок ниже 1103 К 1. Недостатком этого пьезоэлектрического материала является относительно небольшой пьезоэлектрический коэффициент 3350-60, проявляющийся при низких температурах. Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический материал на основе феррита висмута, где от 5 до 20 ат.ионов висмута замещены ионами лантана 2. Замена ионов висмута на ионы лантана приводит к увеличению пьезоэлектрического эффекта. Данный материал проявляет сегнетоэлектрические свойства при температурах до 800 С 2. К недостаткам указанного пьезоэлектрического керамического материала следует отнести сравнительно невысокое удельное электросопротивление (108 Омсм) и большой 16634 1 2012.12.30 тангенс диэлектрических потерь, что приводит к большим потерям на токи утечки и недостаточно высокой эффективности, снижая надежность и срок эксплуатации. Задачей, решаемой данным изобретением, является увеличение удельного электросопротивления при комнатной температуре и уменьшение диэлектрических потерь пьезоэлектрического керамического материала на основе феррита висмута-лантана посредством изменения состава. Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута-лантана со структурой перовскита дополнительно содержит ионы марганца в соотношении, соответствующем химической формуле 0,850,151-3, где 0,010,02. Частичная замена ионов висмута ионами лантана в феррите висмута при концентрации лантана 8 мол.приводит к появлению морфотропной фазовой границы, на которой ромбоэдрическая полярная фаза переходит в антиполярную орторомбическую. Кристаллоструктурная нестабильность ведет к увеличению пьезоэлектрического эффекта. Катионное замещение вызывает в феррите висмута локальные кристаллоструктурные искажения, в результате возникают локальные напряжения, меняющиеся под воздействием электрического поля. Частичная замена ионов висмута ионами лантана в -подрешетке, а ионов железа - ионами марганца в -подрешетке перовскитной структуры феррита висмута позволяет получить пьезоэлектрический материал, проявляющий повышенное электросопротивление при комнатной температуре. Сущность изобретения заключается в том, что в феррите висмута-лантана при частичном замещении железа ионами марганца происходит компенсация заряда, в результате которой ионы железа принимают среднее окислительное состояние 3, что препятствует процессу переноса зарядов путем перескока электронов между разновалентными ионами. Это приводит к увеличению электросопротивления в 1000 раз и уменьшению тангенса диэлектрических потерь в 6 раз (для состава с 0,015). Перечисленные особенности заявляемого керамического пьезоэлектрического материала на основе феррита висмута-лантана являются существенными отличиями по сравнению с прототипом, так как их отсутствие не позволяет достичь поставленной цели получить пьезоэлектрический керамический материал с большей величиной удельного электросопротивления при комнатной температуре и меньшим тангенсом диэлектрических потерь по сравнению с прототипом. В таблице приведены характеристики предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала в сравнении с прототипом. Электрические параметры соединений 0,850,151-3 в зависимости от состава Пример конкретного осуществления. Твердые растворы состава 0,850,151-3 (0,005-0,03) были получены по обычной керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиометрическом соотношении в планетарной мельнице фирмы . Образцы помещались в разогретую печь и после синтеза при 960 С закаливались на воздухе. Поверхностный слой образцов после синтеза удалялся. Это обусловлено тем, что висмут является летучей компонентой, что может привести к нарушению соотношения между катионами. Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН-3 М в 2- излучении. Расчет кристаллической структуры выполнялся с помощью программы. Установлено, что элементарная ячейка твердых растворов 0,850,151-3(00,03) описывается полярной пространственной группой 3. Тангенс диэлектрических потерьопределялся с помощью измерителя иммитанса 7-20 на частоте 1000 Гц. Удельное электросопротивление измерялось при комнатной температуре вольтметромэлектрометром 57/1. Анализ результатов показывает оптимальным является состав с 0,015, в котором величина удельного электросопротивления в 1000 раз больше, чем у прототипа. При отклонении содержания марганца от величины 0,015 происходит уменьшение удельного электросопротивления и увеличение тангенса диэлектрических потерь (таблица). Составы с 0,010,02 характеризуются большими диэлектрическими потерями, обусловленными высокой электропроводностью. Таким образом, преимуществом заявляемого материала по сравнению с известным является большая величина удельного электросопротивления и меньший тангенс диэлектрических потерь, что обеспечивает меньшие потери на токи утечки. Это позволяет получить материал с улучшенными пьезоэлектрическими параметрами. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3