Geri Dön

Electrochemical phenomena in piezoelectric ceramics leading to polarization fatigue

Piezoelektrik seramiklerde polarizasyon yorulmasına yol açan elektrokimyasal olgular

PDF İndir

  1. Tez No: 844949
  2. Yazar: METİN ÖZGÜL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. CLIVE A. RANDALL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Seramik Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Ceramic Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1998
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: The Pennsylvania State University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 118

Özet

ÖZET Son zamanlarda, ince film ve bulk ferroelektriklerdeki ferroelektrik yön değiştirme (switching), kalıcı rastgele erişim bellekleri (NVRAM) gibi çok sayıda uygulamada değerlendirilmektedir. Ancak, ferroelektrik yorulma olarak bilinen ve artan kümülatif yön değiştirme çevrimleriyle kalıcı polarizasyondaki azalma ile tanımlanan bir etki ferroelektrik cihazların ticari uygulamalarında başlıca sorundur. x=0, 0,02, 0,04, 0,06 ve y=0,52 için Pb1-0.5x ▀0.5x [(ZryTi1-y)1-x Nbx]O3 formülüne göre hazırlanmış kurşun zirkonat titanat (PZT) bulk seramiklerde, ferroelektrik polarizasyon yön değiştirme yorulması ve dielektrik özelliklerdeki değişimler incelenmiştir. Bu çalışmada, iyi bir şekilde tanımlanmış bir dizi toz katı hal yöntemiyle hazırlanmıştır ve bu tozlardan disk şekilli seramikler üretilmiştir. Yoğunluk ölçümleri ve faz tanımlama çalışmaları numunelerin sonraki ölçümlere uygun yüksek yoğunluklu ve tek fazlı olduğunu göstermiştir. Daha sonra tüm numuneler elektriksel ölçümler için parlatılmış, çöktürülmüş (sputtered) gümüş, altın ve platin ile elektrotlanmıştır. Yön değiştirme koşullarındaki ferroelektrik ve dielektrik özelliklerdeki değişimleri incelemek için tüm numunelere çift kutuplu (bipolar) AC (alternatif akım) altında 100 Hz ve 32 kV/cm elektrik alan ile çevrim uygulanmıştır. Bu varsayılan elektriksel sürücü şartlar frekansın, elektrik alan gücünün ve dalga şeklinin etkisi gibi alt başlık çalışmaları için değiştirilmiştir. Katkılama (doping) çalışmaları ile PZT'deki polarizasyon yorulmasının kompozisyona önemli derecede bağlı olduğunu tespit ettik PZT'de donör katkılamayı da içeren mevcut anlayışa dayanarak, yorulma özelliklerinde bir iyileşme beklenebilmektedir. Ancak, bu çalışmada Nb+5 katkılaması için bir limit tespit edilmiştir %6 Nb katkılı numuneler, %4 Nb katkılılardan daha kötü performans göstermiştir. Çalışmamızda aynı zamanda, katkısız PZT'de yaşlanma etkisinin yorulmaya karşı baskın olduğu sonucu da bulunmuştur. Yorulmaya metalizasyonun etkisi çalışması, yorulma sürecinde elektrot-seramik etkileşimlerinin önemini ortaya çıkarmıştır. Elektrot ile bağlı olarak yorulma hızının değiştiğini gözlemledik. Çalışmamızda, en hızlı yorulmanın platin elektrotlu numunelerde olduğunu sonucunu elde ettik. Diğer yandan, altın elektrotlu numunelerde daha yavaş olan yorulma hızı, gümüş elektrotlularda en düşük olarak ölçülmüştür. Bu metallerin iş fonksiyonları paralel olarak aynı sırada ölçeklenmiştir. Tek kutuplu elektriksel sürüşün (unipolar drive) ferroelektrik ve dielektrik özelliklerde herhangi bir azalmaya neden olmadığı da keşfedilmiştir. Bu durum, yorulma ve oksijen çıkışı için çift kutuplu AC uygulanmasının gerekli olduğunu ortaya koymaktadır. Şaşırtıcı şekilde, frekansın yorulma üzerindeki etkisi henüz çalışılmamıştır. Frekansın, yorulma davranışına güçlü bir etkisinin olduğunu tespit ettik. PZT'nin hem ferroelektrik hem de dielektrik özelliklerinde 1 Hz frekansta çok hızlı yorulma görülürken, 32 kV/cm'lik çift kutuplu AC altında 3x104 çevrimden sonra hiç kayıp gözlemlenmemiştir. Bu durum, hata hareketinin (örneğin, bir taşınma mekanizmasının dahil olduğu) olası kinetik etkilere işaret etmektedir. Pan vd. tarafından, yön değiştirme koşulları altında, katkısız PZT'de kabarcıklanma gözlemlenmiştir. Hem katkısız hem de katkılı PZT numunelerde benzer gözlemlerde bulunduk ve hiç elektrik uygulanmamış (virgin) ve tamamen yorulmuş numuneleri XPS ile analiz ettik. Sonuçların, kapasitans kayıplarına yol açan ve elektrotlara yakın bölgelerde oksijen boşluğu konsantrasyonlarının arttığına işaret ettiğini bulduk. XPS analizindeki pikler aynı zamanda yorulma işlemi sırasında PZT'de kurşunun olası bir değerlik değişimine işaret etmektedir. Bu sonuca göre, elektrokimyasal indirgenme (oksijen kabarcıklanması) yorulma ile ilişkili olmalıdır.

Özet (Çeviri)

ABSTRACT Recently, ferroelectric switching in thin film and bulk ferroelectrics has been considered for a number of applications such as nonvolatile random access memories (NVRAM). However, an effect known as ferroelectric fatigue which is typified by the decrease of remnant polarization with increasing cumulative switching cycles has been the major problem for the commercial applications of the ferroelectric devices. The fatigue of ferroelectric polarization switching and changes in dielectric properties have been investigated in lead zirconate titanate (PZT) bulk ceramics prepared according to the formula, Pb1-0.5x ▀0.5x [(ZryTi1-y)1-x Nbx]O3 , where x=0, 0.02, 0.04, 0.06 and y=0.52. A series of well identified powders were prepared through solid solution method and ceramic discs prepared from this powders for this study. Density measurements and phase identification studies indicated high density/phase pure samples for further measurements. Then, all the samples were polished and electroded by sputtered silver, gold, and platinum for electrical measurements. To investigate ferroelectric and dielectric property changes under switching conditions all samples were cycled under bipolar AC drive at 100 Hz and 32 kV/cm applied field. These default driving conditions were changed for the purpose of specific studies such as frequency effect, field strength effect, and wave form effect. Through doping studies we found that polarization fatigue in PZT has a very strong compositional dependence. Based on the current concepts involving donor doping in PZT, an improvement of fatigue properties can be expected. However, in this study a limit was identified for Nb5+ doping. Samples with 6% Nb had poorer performance than the 4% samples. It was also found in our work that aging effects are dominant over fatigue in undoped PZT. The study of metallization effects on fatigue revealed the importance of electrode-ceramic interactions in fatigue process. We found that fatigue rate changes as a function of electrode type. In our study, we noticed the fastest fatigue in platinum electroded samples. On the other hand, fatigue rate was slower for gold and the slowest for silver electroded samples. The work functions of these metals are scaled correspondingly in the same order. It was also discovered that unipolar drive does not cause any degradation in both ferroelectric and dielectric properties. This suggested that bipolar AC drive is essential for fatigue and oxygen evolution. Surprisingly, the effect of driving frequency on fatigue has not been studied yet. We found a drastic effect of frequency on fatigue behavior. After, 3.104 cycles under 32 kV/cm bipolar AC drive no loss was observed in both ferroelectric and dielectric properties of PZT at 500 Hz compared to very rapid fatigue at 1 Hz. This implies the possible kinetic effects of defect movements (i.e., a transport mechanism is involved). Under switching conditions bubbling was observed by Pan et al. in undoped PZT. We made similar observations in both undoped and doped PZT samples and analyzed the virgin, and fully fatigued samples by XPS. We found results indicating an increase of oxygen vacancy concentration near the electrodes causing observed capacitance losses. The XPS analysis peaks also implies the possible valence change for lead in PZT during fatigue process. Based on this result, the electrochemical reduction (oxygen bubbling) has to be related with fatigue.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    229935

    Kuartz kristal mikrobalans ile DNA hibridizasyon tayini ve bazı maddelerin DNA ile etkileşiminin biyosensörlerle algılanması

    Determination of DNAhybridization by quartz crystal microbalance and sensation of interactions of some substances with DNA by biosensors

    YASEMİN MARABA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    BiyoteknolojiEge Üniversitesi

    Analitik Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ŞENGÜN ÖZSÖZ

  2. Tez No

    332243

    Pem elektrolizörlerin performansına etki eden parametrelerin sayısal incelenmesi

    Numerical investigation of parameters that effect the performance of pem electrolyzers

    ÖMER GENÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    EnerjiNiğde Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT D. MAT

  3. Tez No

    336876

    Microfluidic based differential electrochemical sensors

    Mikroakışkan tabanlı diferansiyel elektrokimyasal sensor

    ÖZGE AKAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    ÖĞR. GÖR. COŞKUN KOCABAŞ

  4. Tez No

    905495

    Böğürtlen kökünün (RC) yumuşak çelik üzerine inhibisyon etkisi

    Inhibition effect of blackberry root (RC) on mild steel

    IRMAK ÖNCÜ DAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    KimyaMardin Artuklu Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERAP TOPRAK DÖŞLÜ

  5. Tez No

    66381

    N-Karbazollerin yükseltgen polimerizasyon

    Başlık çevirisi yok

    ESMA SEZER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

Geri Dön