การเตรียมเซรามิกคอมโพสิต (Bi0.5Na0.5)0.94(Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti0.9946Sn0.0054) O3:Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3 O12 ที่มีสมบัติมัลติเฟร์โรอิกด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง

The Preparation of (Bi0.5Na0.5)0.94(Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti0.9946Sn0.0054)O3:Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 Composite Ceramics with Multiferroic Properties Via Solid-State Combustion Technique

Abstract

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 และสมบัติทางแม่เหล็กของเซรามิก คอมโพสิตที่เตรียมได้ วิธีดำเนินการวิจัย เซรามิกคอมโพสิต (Bi0.5Na0.5)0.94(Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti0.9946Sn0.0054)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 (tanδr) มีค่าสูงขึ้น เมื่ออัตราส่วนของ YBFM เพิ่มขึ้น การวิเคราะห์สมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกจากวงวนฮีสเทอรีซิส (P-E loops) ที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก พบว่า วงวนฮีสเทอรีซิสแสดงวงวนที่ไม่อิ่มตัวในทุกตัวอย่าง 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 แสดงสมบัติคู่ควบระหว่างเฟร์อิเล็กทริกกับเฟร์โรแมกเนติก ซึ่งเป็นลักษณะที่สำคัญของวัสดุมัลติเฟร์โรอิก อย่างไรก็ตามปริมาณอัตราส่วน 5:5 ถึง 3:7 เซรามิกมีการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้ามาก ซึ่งเป็นช่วงของอัตราส่วนที่ไม่เหมาะสม นอกจากนี้ไม่สามารถยืนยันได้ว่าอัตราของเซรามิกที่ดีที่สุด จึงต้องศึกษาในส่วนของค่าสัมประสิทธิ์แมกนีโตอิเล็กทริกเพิ่มเติมในอนาคต  Background and Objectives:This research focuses on the preparation of ceramic composites with multiferroic properties of (Bi0.5Na0.5)0.94 (Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti(0.9946) Sn0.0054)O3 (BNT-BCTS) with mixing Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 (YBFM) at various ratios by solid-state combustion technique. The effect of ratios on phase structure, microstructure, electrical properties, and magnetic properties of the prepared ceramic composites were studied. Methodology: The ceramic composite of (Bi0.5Na0.5)0.94 (Ba0.945Ca0.055)0.06(Ti(0.9946) Sn0.0054)O3 (BNT-BCTS) with mixing Y2.7Bi0.3Fe4.7Mn0.3O12 (YBFM) compound at various ratios of 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, and 3:7 wt% was prepared by solid-state combustion with glycine as fuel. Main Results:It was found that the ratio of all ceramics showed perovskite structure with coexisted phases of rhombohedral and tetragonal phases mixed a garnet structure. The intensity of the garnet structure increased with increasing of the YBFM ratios. Grain ceramics showed mixture of large grains and small grains in all ceramics and grains exhibited polygonal shapes. Average grain size density of the ceramics deceased while the density of the ceramics increased from 5.75 g.cm-3 to 5.96 g.cm-3 when the YBFM ratios increased. In the analysis of dielectric property at room temperature with measuring at 1 kHz of the ceramics at various ratios, it was observed that the dielectric constant (r) decreased. In contrast, the dielectric loss (tanδr) increased when the YBFM ratios increased. The analysis of ferroelectric properties from P-E loops at room temperature of all ceramics, it was found that all P-E loops showed non-saturated loops and the P-E loos showed bloated loops with increasing the YBFM ratios which indicated that leakage current was formed. The Ps value of the ceramics was in the range of 1.72 - 5.97 µC/cm2. When the YBFM ratios increased, the Pr and Ec values were increased. For magnetic property of all ceramic ratios with measuring at 27oC, showed that all ceramics showed the ferromagnetic property. The value of saturated magnetic (Ms), Remnant magnetic (Mr), and Magnetic coercive field (Hc) of all ceramic ratios were in the range of 0.12-5.01 emu/g, 0.003-2.28 emu/g and 61.25-149.19 Oe, respectively, all values increased with increasing the YBFM ratios. Conclusions:The BNT-BCTS: YBFM ceramic composite exhibited ferroelectric and ferromagnetic coupling properties, which were important characteristics of multiferroic materials. However, at volume ratios of 5:5 to 3:7, the ceramic has a large leakage current, which was a range of inappropriate ratios. Moreover, it is not possible to confirm that the ratio of ceramic was the best. Therefore, further study of the magnetoelectric coefficient is required in the future.