بررسی تأثیر دوپنت WO3 بر رفتار سینتر، ریز ساختار و فاکتور اتلاف دی‌الکتریک‌های Ba(〖Co〗_(1⁄3) 〖Nb〗_(2⁄3))O_3

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 15، شماره 1 - شماره پیاپی 56، اردیبهشت 1400، صفحه 1-10   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/apme.2021.681601

نویسندگان

نگین مزروعی¹؛ احمد صیادی شهرکی^{* 2}

¹دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان، گلپایگان، ایران

²استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی، دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان، گلپایگان، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر اثر افزودن WO₃ بر روی سینتر، ریزساختار و اتلاف مایکروویو دی‌الکتریک ترکیب‌های Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ بررسی شد. سرامیک‌ها(1-x) Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ – (x) WO₃ که 02/0-0=x، به روش مرسوم حالت جامد با سینتر در دمای ºC 1300-1450 به مدت 10 ساعت تهیه شدند. حد حلالیت WO₃ در ساختار پروسکایتی Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ و تشکیل نوع فازهای ثانویه توسط پراش اشعه ایکس (XRD) مطالعه شد. همچنین تغییرات درجه نظم کاتیونی 1:2 با دوپ کردن WO₃ با روش پالایش ریتویلد به طور دقیق ارزیابی شد. علاوه براین مطالعات ریزساختاری به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. نتایج به دست آمده توسط آنالیز XRD حد حلالیت WO₃ در شبکه Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ را مقدار 02/0=x نشان داد ولی ارزیابی‌های SEM نشان داد که حتی اضافه کردن مقدار 002/0=x نیز باعث ایجاد فازهای ثانویه با ترکیب‌های شیمیایی BaWO₄ و Ba₉CoNb₁₄O₄₅ در این سرامیک‌ها می‌شود. از طرف دیگر، محاسبات پالایش ریتویلد کاهش درجه نظم کاتیونی 1:2 را با افزایش مقدار دوپنت WO₃ نشان داد، به‌طوری که درجه نظم کاتیونی با افزایش x از 0 تا 02/0 از مقدار % 95 به % 59 کاهش یافت. فاکتور کیفیت (عکس اتلاف دی‌اکتریک) سرامیک‌های دوپ شده با استفاده از روش تشدید دی‌الکتریک تعیین شد و مشاهده شد که فاکتور کیفیت سرامیک‌های (1-x) Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ – (x) WO₃با افزایش مقدار x به شدت کاهش یافته به‌طوری که برای سرامیک دوپ نشده مقدار Q×f برابر با GHz 61000 بوده ولی سرامیک‌ها با ترکیب 02/0=x از خود پیک رزونانس نشان ندادند که به معنی افزایش بسیار زیاد اتلاف مایکروویو دی‌الکتریک این ترکیب‌ها می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

ساختارهای پروسکایتی؛ مایکروویو دی‌الکتریک؛ اتلاف دی‌الکتریک؛ نظم کاتیونی

مراجع

[1] م. کیانی زیتانی و م. رضوانی، "بررسی ویژگی‌های دی‌الکتریک شیشه سرامیک سیستم CaO-SiO₂-MgO در محدوده امواج مایکرویو"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 4، 1391.

 

[2] ا. پوربافرانی، "ساخت و بررسی خواص ساختاری و جذب امواج الکترومغناطیسی در کامپوزیت‌ها باریوم استرانسیوم تیتانات/فریت کبالت-روی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 4، 1396.

 

 [3] S. Penn, N. Alford & H. Nalwa, "Ceramic dielectrics for microwave applications. Handbook of Low and High Dielectric Constant Materials and Their Application", Academic Press, pp. 493-532, 1999.

 

[4] S. Zhang, H. Sahin, E. Torun, F. Peeters, D. Martien, T. DaPron, N. Dilley & N. Newman, "Fundamental mechanisms responsible for the temperature coefficient of resonant frequency in microwave dielectric ceramics", Journal of the American Ceramic Society vol. 100, pp. 1508-1516, 2017.

 

[5] S. Zhang, A. Devonport & N. Newman, "bMain source of microwave loss in transition‐metal‐doped Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃ and Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ at cryogenic temperatures" Journal of the American Ceramic Society vol. 98, pp. 1188-1194, 2015.

 

[6] S. Ra, "Synthesis, prossesing, and microwave dielectric properties of Barium Zinc Tantalate (Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃) ceramics for wireless communications", Ph.D. Dissertation, The graduate faculty of the school of engineering, University of Dayton Pittsburgh, 2000. Pittsburgh.

[7] M. T. Sebastian, "Dielectric materials for wireless communication", Elsevier: Amsterdam, pp. 1-49, 2008.

 

[8] I. M. Reaney, Y. Iqbal, H. Zheng, A. Feteira, H. Hughes, D. Iddles, D. Muir & T. Price, "Order–disorder behavior in 0.9Ba ([Zn_0.60Co_0.40]_1/3Nb_2/3) O₃-0.1Ba(Ga_0.5Ta_0.5)O₃ microwave dielectric resonators", Journal of the European Ceramic Society, vol. 25, pp. 1183-1189, 2005.

 

[9] J. Padchasri, R. Yimnirun  & T. Kolodiazhnyi, "Correlation between the 1:2 atomic order and microwave dielectric loss in the off-stoichiometric Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃", Journal of the European Ceramic Society, vol. 38, pp. 3412-3415, 2018.

 

[10] A. Sayyadi-Shahraki, E. Taheri-Nassaj, J. Gonzales, N. Newman, & T. Kolodiazhnyi. "Effect of non-stoichiometry on the densification, phase purity, microstructure, crystal structure, and dielectric loss of Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ ceramics", Journal of the European Ceramic Society, vol. 37, pp. 3335-3346, 2017.

 

[11] P. M. Mallinson, J. B. Claridge, M. J. Rosseinsky,  R. M. Ibberson, J. P. Wright, A. N. Fitch, T. Price, & D. M. Iddles. "Cation ordering/disordering kinetics in Ba₃CoNb₂O₉: An in situ study using synchrotron x-ray powder diffraction." Applied Physics Letters, vol. 91, pp. 222901-222901. 2007.

 

[12] C. S. Park, S. Nahm, Y. S. Kim, H. Leey, M. Kimz & J. Byun. "Effect of WO₃ on the Microstructure and Microwave Characteristics of Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ Ceramics" Journal of the Korean Physical Society, vol. 32, pp. S340-S342, 1998.

 

[13] M. R. Varma, & M. T. Sebastian. "Effect of dopants on microwave dielectric properties of Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ ceramics", Journal of the European Ceramic Society vol. 27, pp. 2827-2833, 2007.

[14] K.P. Surendran, M. T. Sebastian, P. Mohanan, and M. V. Jacob. "The effect of dopants on the microwave dielectric properties of Ba(Mg_{0. 33}Ta_{0. 67})O₃ ceramics", Journal of applied physics, Vol. 98, pp. 094114, 2005.

 

[15] A. G. Belous, O. V. Ovchar, A. V. Kramarenko, B. Jancar, J. Bezjak & D. Suvorov, "Effect of nonstoichiometry on the structure and microwave dielectric properties of Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃", Inorganic Materials, vol. 46, pp. 529-533, 2010.

 

[16] F. Azough, C. Leach & R. Freer, "Effect of nonstoichiometry on the structure and microwave dielectric properties of Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ ceramics", Journal of the European Ceramic Society vol. 26, pp. 2877-2884, 2006.

 

[17] I. Molodetsky & P. K. Davies, "Effect of Ba(Y_1/2Nb_1/2)O₃ and BaZrO₃ on the cation order and properties of Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ microwave ceramics", Journal of the European Ceramic Society vol. 21, pp. 2587-2591, 2001.

 

[18] A. Sayyadi‐Shahraki, E. Taheri‐Nassaj, H. Sharifi, J. Gonzales, T. Kolodiazhnyi, & N. Newman, "Origin of dielectric loss in Ba(Co_1/3Nb_2/3)O₃ microwave ceramics", Journal of the American Ceramic Society, vol. 101, pp. 1665-1676, 2018.

 

[19] T. Kolodiazhnyi, G. Annino, & T. Shimada. "Intrinsic limit of dielectric loss in several Ba(B_1/3^′ B_2/3^″)O₃ ceramics revealed by the whispering-gallery mode technique", Applied Physics Letters, vol. 87, pp. 212908-212908, 2005.

 

[20] P. K. Davies, H. Wu, A. Y. Borisevich, I. E. Molodetsky, & L. Farber. "Crystal chemistry of complex perovskites: New cation-ordered dielectric oxides", Annual Review of Materials Research, vol. 38, pp. 369-401, 2008.

 

[21] P. K. Davies, J. Tong, & T. Negas. "Effect of Ordering‐Induced Domain Boundaries on Low‐Loss Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃‐BaZrO₃ Perovskite Microwave Dielectrics", Journal of the American Ceramic Society, vol. 80, pp. 1727-1740, 1997.

 

[22] D. J. Barber, K. M. Moulding, J. I. Zhou, & M. Li. "Structural order in Ba(Zn_1/3Ta_2/3)O₃, Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ and Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃ microwave dielectric ceramics", Journal of materials science, vol. 32, pp. 1531-1544, 1997.

 

[23] H. Tamura, "Microwave dielectric losses caused by lattice defects", Journal of the European Ceramic Society, vol. 26, pp. 1775-1780, 2006.

 

[24] W. Wersing, "Microwave ceramics for resonators and filters", Solid State and Materials Science, vol. 1, pp. 715-73, 1996.

 

[25] S. J. Penn, N. M. Alford, A. Templeton, X. Wang, M. Xu, M. Reece, & K. Schrapel. "Effect of porosity and grain size on the microwave dielectric properties of sintered alumina", Journal of the American Ceramic Society, vol. 80, pp.1885-1888, 1997.

 

[26] H. Wu, & P. K. Davies. "Influence of Non‐Stoichiometry on the Structure and Properties of Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ Microwave Dielectrics: II. Compositional Variations in Pure BZN", Journal of the American Ceramic Society, vol. 89, pp. 2250-2263, 2006.

 

[27] S. H. Yoon, D. W. Kim, S. Y. Cho & K. S. Hong, "Investigation of the relations between structure and microwave dielectric properties of divalent metal tungstate compounds", Journal of the European Ceramic Society, vol. 26, pp. 2051-2054, 2006.

 

[28] H. Zhuang, Z. Yue, F. Zhao, J. Pei & L. Li, "Microstructure and microwave dielectric properties of Ba₅Nb₄O₁₅–BaWO₄ composite ceramics", Journal of Alloys and Compounds, vol. 472, pp. 411-415, 2009.

 

[29] O. Ovchar, D. Durylin, A. Belous & B. Jancar, "A-site deficient perovskites Ba(M²⁺_1/3Nb_2/3)O₃: microstructural attributes for a high quality factor", Materials Science-Poland, vol. 29, pp. 56-62, 2011.

 

[30] T. Kolodiazhnyi, A. Alexei, C. Tadashi & E. Takayama-Muromachi, "Phase equilibria in the BaO–MgO–Ta₂O₅ system", Journal of Materials Chemistry, vol. 19, pp. 8212-8215, 2009.