Пьезоэлектрический керамический материал

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Шаповалова Елена Федоровна Карпинский Дмитрий Владимирович Чобот Александра Николаевна Терешко Нина Викторовна 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 со структурой перовскита, содержащий лантан и титан, отличающийся тем, что содержит компоненты в соотношении, соответствующем химической формуле 0,850,151-3, где 0,010,02. Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к пьезоэлектрическим керамическим материалам для устройств преобразования электрического сигнала в механические колебания, материалов для датчиков, оптических модуляторов и т.д. Известен пьезоэлектрический керамический материал со структурой перовскита, который позволяет преобразовывать электрические сигналы в механические колебания 1. Этот пьезоэлектрический керамический материал представляет собой феррит висмута 3, в котором выявлено два типа упорядочения (антиферромагнитный дальний порядок ниже 643 и электрический дипольный порядок ниже 1103 ) 1. Недостатком этого пьезоэлектрического материала является относительно небольшой пьезоэлектрический коэффициент 3350-60 /, который проявляется при низких температурах. Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута, представляющий собой сложный оксид со структурой перовскита и общей формулой (3)х(3)1-х с частичным замещением висмута лантаном в количестве 3,5 ат.(0,50,8). Так, для соединения с 0,525 пьезоэлектрический коэффициент 33 составляет 120 / в слабом электрическом поле 2. К недостаткам указанного пьезоэлектрического материала следует отнести сравнительно невысокое удельное электросопротивление (108 Омсм), что приводит к боль 17477 1 2013.08.30 шим потерям на токи утечки и недостаточно высокой эффективности, что снижает надежность и срок эксплуатации материала, а также содержание токсичных элементов (свинца),что приводит к загрязнению окружающей среды. Задачей, решаемой данным изобретением, является увеличение удельного электросопротивления материала при комнатной температуре и уменьшение диэлектрических потерь посредством изменения состава. Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический керамический материал на основе феррита висмута со структурой перовскита, содержащий лантан и титан, содержит компоненты 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 А-подрешетке, а ионов железа ионами титана в В-подрешетке перовскитной структуры феррита висмута позволяет получить пьезоэлектрический материал, проявляющий повышенное электросопротивление при комнатной температуре. Сущность изобретения заключается в том, что в материале на основе феррита висмута при замещении ионов висмута ионами лантана, а ионов железа ионами титана происходит компенсация заряда, в результате которой ионы железа принимают среднее окислительное состояние три, что препятствует процессу переноса зарядов путем перескока электронов между разновалентными ионами. Это приводит к увеличению электросопротивления в 103 раз и уменьшению величины тангенса диэлектрических потерь на порядок. В таблице приведены характеристики предлагаемого пьезоэлектрического керамического материала в сравнении с прототипом. Электрические параметры соединений 0,850,151-х 3 в зависимости от состава Анализ полученных результатов показывает, что 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 0,02 характеризуются кристаллографической неоднородностью. Перечисленные особенности заявляемого керамического пьезоэлектрического материала на основе феррита висмута являются существенными отличиями по сравнению с прототипом, так как их отсутствие не позволяет достичь поставленной цели - получить пьезоэлектрический керамический материал с величиной удельного электросопротивления при комнатной температуре большей в 103 раз и тангенсом диэлектрических потерь на порядок меньше по сравнению с прототипом. Пример конкретного осуществления. Твердые растворы состава 0,850,151-3 (00,03) были получены по обычной керамической технологии из простых оксидов и карбонатов, смешанных в стехиомет 2 17477 1 2013.08.30 рическом 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 - излучении. Расчет кристаллической структуры выполнялся с помощью программы . Установлено, что элементарная ячейка твердых растворов 0,850,151-3 (00,02) описывается полярной пространственной группой 3. Тангенс диэлектрических потерьопределялся с помощью измерителя иммитанса 7-20 на частоте 1000 Гц. Удельное электросопротивление измерялось при комнатной температуре вольтметром-электрометром 57/1. Преимуществом заявляемого материала по сравнению с известным является большая величина удельного электросопротивления и меньший тангенс диэлектрических потерь,что обеспечивает снижение потерь на токи утечки и позволяет получить материал с улучшенными пьезоэлектрическими параметрами. Кроме того, отсутствие в предлагаемом материале токсичных элементов (свинца) делает материал более экологичным. Источники информации 1.,.,.,.3. // . . . - 2007. - 90, 172115. 2. Патент 7,928,637, МПК 01 41/187, 2011. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3