การเตรียมเซรามิกคอมโพสิต (Bi0.5Na0.5)0.94 (Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti0.9946 Sn0.0054) O3 :Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 ที่มีสมบัติมัลติเฟร์โรอิกด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง
คำสำคัญ:
BNT-BCTS:YBFM, มัลติเฟร์โรอิก, วิธีการเผาไหม้ของแข็ง, โครงสร้างเฟส, สมบัติแม่เหล็กบทคัดย่อ
วัตถุประสงค์และที่มา :งานวิจัยนี้มีมุ่งเน้นการเตรียมเซรามิกคอมโพสิตที่มีสมบัติมัลติเฟร์โรอิกของ 0.93(Bi0.5Na0.5)TiO3 –0.07(Ba0.945Ca0.055)(Ti0.91Sn0.09)O3: Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 (BNT-BCTS: YBFMO) ที่อัตราส่วนต่างๆ ด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง ศึกษาผลของอัตราส่วนที่มีต่อโครงสร้างเฟส โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติทางแม่เหล็กของเซรามิกคอมโพสิตที่เตรียมได้
วิธีดำเนินการวิจัย เซรามิกคอมโพสิต (Bi0.5Na0.5)0.94 (Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti0.9946 Sn0.0054) O3 (BNT-BCTS) ผสมด้วยสาร Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 (YBFM) ที่อัตราส่วนของ BNT-BCTS:YBFM เป็น 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6 และ 3:7 โดยน้ำหนัก เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง โดยใช้ไกลซันเป็นเชื้อเพลิง
ผลการวิจัย : พบว่าเซรามิกทุกอัตราส่วนแสดงโครงสร้างเฟสเพอรอฟสไกต์แบบเฟสร่วมของรอมโบฮีดรอลและเททะโกนอล ผสมกับโครงสร้างเฟสแบบการ์เนต ซึ่งค่าความเข้มของพีคโครงสร้างเฟสแบบการ์เนตมีค่าสูงขึ้นเมื่ออัตราส่วน YBFM สูงขึ้น เกรนเซรามิกมีขนาดใหญ่และเกรนขนาดเล็กผสมกันในทุกอัตราส่วนและมีลักษณะเป็นรูปหลายเหลี่ยม (polygonal grain) โดยเกรนมีขนาดเฉลี่ยที่เล็กลงขณะที่ค่าความหนาแน่นของของเซรามิกมีค่าเพิ่มขึ้นจาก 5.75 g.cm-3 เป็น 5.96 g.cm-3 เมื่ออัตราส่วนของ YBFM มากขึ้น การวิเคราะห์สมบัติไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิห้อง วัดที่ความถี่ 1 kHz ของเซรามิกที่อัตราส่วนต่างๆ พบว่าเซรามิกมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (r) ลดลง ขณะที่ค่าสภาพการสูญเสียไดอิเล็กทริก (tan
r) มีค่าสูงขึ้น เมื่ออัตราส่วนของ YBFM เพิ่มขึ้น การวิเคราะห์สมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกจากวงวนฮีสเทอรีซิส (P-E loops) ที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก พบว่าวงวนฮีส เทอรีซิสแสดงวงวนที่ไม่อิ่มตัวในทุกตัวอย่าง และมีลักษณะขยายใหญ่ขึ้นมากขึ้นเมื่ออัตราส่วน เมื่ออัตราส่วนของ YBFM เพิ่มขึ้น เนื่องจากการเกิดกระแสรั่วไหล ค่า Ps ของเซรามิกอยู่ระหว่าง 1.72 ถึง 5.97 µC/cm2 เมื่ออัตราส่วนของ YBFM เพิ่มขึ้น ค่า Pr และ Ec มีค่ามากขึ้น สมบัติแม่เหล็กของเซรามิกทุกอัตราส่วนวัดที่อุณหภูมิ 27oC พบว่าเซรามิกทุกตัวแสดงสมบัติแม่เหล็กแบบเฟร์โรแมกเนติก สำหรับค่าแมกนีไตเซชันอิ่มตัว (Ms) ค่าแมกนีไตเซชันคงค้าง (Mr) และค่าสนามแม่เหล็กลบล้าง (Hc) ของเซรามิก มีค่าอยู่ระหว่าง 0.12 ถึง 5.01 emu/g 0.003 ถึง 2.28 emu/g และ 61.25 ถึง 149.19 Oe ตามลำดับ โดยปริมาณเหล่านี้มีค่าสูงขึ้นเมื่อปริมาณส่วนของสาร YBFM เพิ่มขึ้น
สรุปผลการวิจัย : เซรามิกคอมโพสิตของ BNT-BCTS: YBFM แสดงสมบัติคู่ควบระหว่างเฟร์อิเล็กทริกกับเฟร์โรแมกเนติกซึ่งเป็นลักษณะที่สำคัญของวัสดุมัลติเฟร์โรอิก อย่างไรก็ตามปริมาณอัตราส่วน 5:5 ถึง 3:7 เซรามิกมีการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้ามาก ซึ่งเป็นช่วงของอัตราส่วนที่ไม่เหมาะสม นอกจากนี้ไม่สามารถยืนยันได้ว่าอัตราของเซรามิกที่ดีที่สุด จึงต้องศึกษาในส่วนของค่าสัมประสิทธิ์แมกนีโตอิเล็กทริกเพิ่มเติมในอนาคต
References
Ahmed, S., Atif, M., Nadeem, M., Ali, Z., Khalid, W. & Khan, M. N. (2020) Impedance spectroscopy and conduction mechanism of ferroelectric rich PbZr0. 52Ti0. 48O3-CoFe2O4 magnetoelectric composite. Ceram. Int.,46, 21090-21096.
Devi, N. K., Wareppam, B., Singh, L. H. (2022) Sintering temperature dependence on evolving microstructure and magnetic characteristics of cobalt ferrites. Mater. Today: Proceed, 68, 196-199.
Enayati, E., Hashemian, S., & Hakimi, M. (2020) Effect of Bi and Mn doping on the structure and magnetic properties of Y3Fe5O12 nanopowders synthesized by mechanochemical milling. Materials Chemistry and Physic, 242, 122042.
Grigalaitis, R., Vijatović Petrović, M.M., Bobić, J.D., Dzunuzovic, A., Sobiestianskas, R., Brilingas, A., Stojanović, B.D. & Banys, J. (2014) Dielectric and magnetic properties of BaTiO3 –NiFe2O4 multiferroic composites. Ceram. Int. 40, 6165-6170.
Islam, R.A. & Priya, S. (2008) Effect of piezoelectric grain size on magnetoelectric coefficient of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3–Ni0.8Zn0.2Fe2O4 particulate composites. J. Mater. Sci. , 43, 3560-3568.
Jiaqian, W., Jian, Y., Yulong, J., & Tai, Q., (2011) Effect of manganese addition on the microstructure and electromagnetic properties of YIG. Journal of Rare Earths, 29, 562-566.
Kornphom, C., Yotthuan, S., Kidkhunthod, P. & Bongkarn, T. (2021) Stabilization of the morphotropic phase boundary in (1-x)BNT-xBCTS ceramics prepared by the solid-state combustion technique.Radia. Phys. Chem, 188, 109638.
Kornphom, C., Wongyai, N., Tanon, N., Pinitsoontorn, S. & Bongkarn, T. (2022) The Synthesis High Magnetization of Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 Magnetic Powders by Simplified Solid State Combustion Technique. Burapha Science Journal, 27(3), 1715-1727.
Kornphom, C., Saenkam, K., P. Jantaratana, S. Pinitsoontorn, Bongkarn, T., (2023) Investigations on the Multiferroic Properties of Lead Free BNT-BCTS:MFO Ceramic Composites Fabricated by the Solid-State Combustion Technique, JOM, 75, 2669–2683
Ortega, N., Kumar, A., Scott, J.F. & Katiyar, R.S., (2015) Multifunctional magnetoelectric materials for device applications. J. Phys. Condens. Matter, 27, 504002.
Pradhan, L.K., Pandey, R., Kumar, R. & Kar, M. (2018) Lattice strain induced multiferroicity in PZT-CFO particulate composite. J. Appl. Phys. , 123, 074101.
Ryu, J., Priya, S., Uchino, K. & Kim, H.E. (2002) Magnetoelectric Effect in Composites of Magnetostrictive and Piezoelectric Materials. J. Electroceram, 8, 107-119.
Vopson, M.M., (2015) Fundamentals of Multiferroic Materials and Their Possible Applications. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci., 40, 223-250.
Singh, K., (2020) Process-structure-property correlation of (1-x)CoFe2O4 + xBaTiO3 (x = 0.2, 0.5, 0.8) composites. Mater. Today Proc. , 33, 5324-5327.
Shi, Z., Nan, W., Zhang, J., Cai, N. & Li, J.-F. (2005) Magnetoelectric effect of Pb(Zr,Ti)O3Pb(Zr,Ti)O3 rod arrays in a (Tb,Dy)Fe2/epoxy(Tb,Dy)Fe2/epoxy medium. Appl. Phys. Lett. , 87, 012503.
Spaldin, N.A. & Ramesh R., (2019) Advances in magnetoelectric multiferroics. Nat. Mater. , 18, 203-212.
Srinivasan, G., Rasmussen, E.T., & Hayes, R. (2003) Magnetoelectric effects in ferrite-lead zirconate titanate layered composites: The influence of zinc substitution in ferrites. Phys. Rev. B , 67, 014418.
Wu, H., Ao, H., Li, W., Zeng, Z., Gao, R., Fu, C., Chen, G., Deng, X., Wang, Z., Lei, X. & Cai, W. (2021) Improvement of magnetoelectric coupling effect in Ba0.8Sr0.2TiO3-Co0.5Cu0.5Fe2O4 multiferroic fluids by tuning the composition. Mater. Today Chem., 21, 100511.
Xu, R., Wang, Z., Gao, R., Zhang, S., Zhang, Q., Li, Z., Li, C., Chen, G., Deng, X., Cai, W. & Fu, C. (2018) Effect of molar ratio on the microstructure, dielectric and multiferroic properties of Ni0.5Zn0.5Fe2O4-Pb0.8Zr0.2TiO3 nanocomposite. J. Mater. Sci. Mater. Electron., 29, 16226-1623.
Downloads
เผยแพร่แล้ว
How to Cite
ฉบับ
บท
License
Copyright (c) 2024 คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Burapha Science Journal is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0) licence, unless otherwise stated. Please read our Policies page for more information
