[논문]La2O3 첨가에 따른 BaTiO3의 미세구조 및 유전특성

최우진; 문경석

doi:10.6111/jkcgct.2020.30.3.103

La2O3 첨가에 따른 BaTiO3의 미세구조 및 유전특성
Microstructure and dielectric properties in the La2O3-doped BaTiO3 system 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.30 no.3, 2020년, pp.103 - 109

최우진 (경상대학교 나노.신소재공학부) , 문경석 (경상대학교 나노.신소재공학부)

초록
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La₂O₃ 첨가량에 따른 결정상 및 미세구조 변화와 유전특성과의 상관관계에 대해 연구하였다. 고상반응법을 이용해 합성된 0.3 mol% TiO₂ 과잉 BaTiO₃ 분말에 대해 La₂O₃ 첨가량을 다르게 첨가하여 1250℃에서 2시간 동안 소결되었다. 상온에서 측정된 XRD는 La₂O₃ 첨가량이 증가함에 따라 lattice parameter가 변화하였고, 정방정비가 감소하였다. 이는 La³⁺가 Ba²⁺ 자리에 치환되어 정방정상의 불안정성을 높여 입방정상으로 상전이 된 것으로 설명할 수 있다. La₂O₃ 첨가량이 증가할 때, 임계입자성장구동력(Δg_c)이 최대 입자성장구동력 (Δg_max)보다 높아져, 입자크기와 밀도가 감소하였다. 유전상수는 La₂O₃가 증가함에 따라 감소하였는데, 이를 결정상 및 미세구조의 변화에 대한 효과로 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of La2O3 addition on the crystalline phase, microstructure, and dielectric properties of BaTiO3 has been studied as a function of the amounts of La2O3. 0.3 mol% TiO2-excess BaTiO3 powder was synthesized by solid-state reaction, and then the powder compacts with various amounts of La2O3 were sintered at 1250℃ for 2 hours. Room temperature XRD showed changes in the lattice parameters and a decrease of tetragonality (c/a) as the amounts of La2O3 increased. It can be explained that the phase transition from tetragonal to cubic phase occurred because La3+ replaced Ba2+ site, which increased the instability of the tetragonal phase. As La2O3 was added over 0.1 mol%, the critical driving force for growth (Δgc) increased over maximum driving force (Δgmax). As the result, the grain size decreased with La2O3 addition. Dielectric constant decreased as the amounts of La2O3 increased, which was analyzed with crystal structure and microstructure.

주제어

표/그림 (6)

$Fig. 1. Room temperature X-ray diffraction patterns of (a) undoped, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.4 mol% La2O3-doped BaTiO3 sintered at 1250°C for 2 hours in air.$ 그림 Fig. 1. Room temperature X-ray diffraction patterns of (a) undoped, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.4 mol% La₂O₃-doped BaTiO₃ sintered at 1250°C for 2 hours in air.
$Fig. 2. Room temperature X-ray diffraction patterns of (a) undoped, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.4 mol% La2O3-doped BaTiO3 in selected 2θ range 20~25° and 40~50°.$ 그림 Fig. 2. Room temperature X-ray diffraction patterns of (a) undoped, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.4 mol% La₂O₃-doped BaTiO₃ in selected 2θ range 20~25° and 40~50°.
그림 Fig. 3. Room temperature lattice parameters of undoped, 0.1, 0.2, and 0.4 mol% La₂O₃-doped BaTiO₃.
그림 Fig. 4. SEM micrographs of (a) undoped, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.4 mol% La₂O₃-doped BaTiO₃ sintered at 1250 °C for 2 hours in air.
그림 Fig. 5. Schematic showing the relationship between grain boundary migration rate and the driving force for diffusion (dashed line) and mixed control (solid lines) mechanisms.
그림 Fig. 6. (a) Dielectric constant and (b) dielectric loss of BaTiO₃ with various amount of La₂O₃ at room temperature.

AI 본문요약
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문제 정의

BaTiO₃의 TiO₂ 잉여 첨가 조건에서 La₂O₃ 첨가량에따른 결정구조 및 미세구조의 변화와 유전특성과의 상관관계에 대해 연구하였다. BaTiO₃에 La₂O₃이 첨가될수록 결정구조의 정방정비가 감소하였고, 평균 입자크기 및 유전 상수가 감소하였다.
Donor 원소 첨가는 유전체의 전기적 특성과 미세구조에 영향을 끼치기 때문에 이에 대한 이해와 연구가 필요하다. 본 연구는 희토류 원소의 산화물 중 하나로 A 자리에 치환될 수 있는 La₂O₃를 BaTiO₃에 첨가하여 첨가량에 따른 BaTiO₃의 미세구조, 결정구조, 유전특성의 변화에 대해 이해하고자 실험 및 분석하였다.

가설 설정

3에 나타내었다. 정방정비(c/a)는 La₂O₃첨가량이 증가함에 따라 감소하였다. La₂O₃를 첨가할 경우 결함 보상을 위해 Ti⁴⁺ 공공이 증가하게 되고, 정방정상의 불안정성을 증가시켜 정방정상의 비율을 감소시키는 원인 중 하나가 될 수 있다고 보고하였다[1,24].

제안 방법

99 %, ALDRICH)를 출발 원료로 사용하였다. 0.3mol% TiO₂ 과잉 조건의 BaTiO₃에서 La₂O₃ 첨가 조건에 따른 BaTiO₃의 미세구조 및 유전 특성 변화를 관찰하기 위해 각각 La₂O₃을 0, 0.1, 0.2, 0.4 mol% 첨가 조건에 맞게 무게를 측정하고, PP(Polypropylene) 병에 넣어 YSZ(Yttria-stabillized Zirconia)와 Ethanol(99.9 %,SAMCHUN)을 이용하여 볼밀로 110 rpm에서 24시간 혼합하였다. 혼합이 완료된 슬러리를 80^oC에서 24시간동안 건조하였다.
소결한 시편에 대한 유전 상수 및 유전 손실을 측정하기 위해 양면에 Silver paste(Han Tech, SJA-43-251)를 도포하여 건조한 후, paste 에 남아있던 유기물들을 휘발시키기 위해 800^oC에서 10분간 열처리하였다. LCRmeter(E4980AL, KEYSIGHT, USA)를 이용하여 100Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz로 교류 전류의 주파수를 변경하여 유전 손실 및 정전용량을 측정한 후 유전상수를 계산하였다.
La₂O₃ 첨가에 따른 BaTiO₃의 미세구조를 관찰하기 위해 1250^oC에서 2시간 동안 소결된 시편의 파단면을 관찰하였다. Figure 4에서 0.
La₂O₃의 함량을 달리한 BaTiO₃의 시편들을 각각 1250^oC에서 2시간 소결한 후 XRD 패턴의 변화에 대해 관찰하였다. Figure 1을 통해 BaTiO₃이외의 이차상은 발견되지 않았고, 모두 BaTiO₃ 정방정상(BaTiO₃, JCPDS no.
결정상의 변화를 관찰하기 위해 소결한 시편을 유발 분쇄하여 분말로 만들어 X-선 회절 분석기(D8 AdvanceA25, Cu X-ray tube, BRUKER, Japan)를 통해 20^o에서 60^o의 2θ범위에 대해 분석하였다. 소결한 시편의 미세구조는 SEM(Scanning Electron Microscopy, MIRA3LM, TESCAM, Czech Republic)을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

TiO₂과잉 조건의 BaTiO₃에 La₂O₃를 첨가하기 위해 Barium Carbonate(BaCO₃, 99.98 %, ALDRICH), TitaniumOxide(TiO₂, 99.7 %, ALDRICH), Lanthanum Oxide(La₂O₃,99.99 %, ALDRICH)를 출발 원료로 사용하였다. 0.

데이터처리

의 2θ범위에 대해 분석하였다. 소결한 시편의 미세구조는 SEM(Scanning Electron Microscopy, MIRA3LM, TESCAM, Czech Republic)을 이용하여 관찰하였다. 소결한 시편에 대한 유전 상수 및 유전 손실을 측정하기 위해 양면에 Silver paste(Han Tech, SJA-43-251)를 도포하여 건조한 후, paste 에 남아있던 유기물들을 휘발시키기 위해 800^oC에서 10분간 열처리하였다.

성능/효과

첨가량이 증가함에 따라 같이 증가함을 관찰하였다. 10 kHz의 주파수에서 La₂O₃ 첨가량이 0 mol%에서 0.2 mol%로 증가할 때 유전 손실이 감소하였다가, 0.4, 0.8 mol%로 증가함에 따라 다시 유전 손실이 증가하는 것을 관찰하였다. 100 kHz, 1 MHz의 주파수에선 La₂O₃ 첨가량이 증가함에 따라 유전 손실이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
8 mol%로 증가함에 따라 다시 유전 손실이 증가하는 것을 관찰하였다. 100 kHz, 1 MHz의 주파수에선 La₂O₃ 첨가량이 증가함에 따라 유전 손실이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 주파수 100 Hz~1 kHz의 저주파영역에서는 공간전하(space charge)에 의한 분극이 지배적이므로 유전체와 전극 사이의 계면 상태가 특성에 직접적으로 영향을 미치게 된다[23].
첨가량에따른 결정구조 및 미세구조의 변화와 유전특성과의 상관관계에 대해 연구하였다. BaTiO₃에 La₂O₃이 첨가될수록 결정구조의 정방정비가 감소하였고, 평균 입자크기 및 유전 상수가 감소하였다. 0.
La₂O₃를 첨가할 경우 결함 보상을 위해 Ti⁴⁺ 공공이 증가하게 되고, 정방정상의 불안정성을 증가시켜 정방정상의 비율을 감소시키는 원인 중 하나가 될 수 있다고 보고하였다[1,24]. 따라서 La₂O₃의 첨가량이 증가함에 따라 상온에서 BaTiO₃의 정방정상의 불안정성을 증가시켜 정방정상의 비율을 감소시킨 것으로 판단된다.
이로 인해 domainwidth가 작아지게 되어 유전상수가 낮아지기 때문에 La₂O₃첨가량이 증가함에 따라 유전상수가 감소할 수 있다. 한편, La₂O₃이 첨가될수록 결정구조의 정방정비가 감소하였고, 상온에서 입방정상의 비율이 높아져 결과적으로 유전상수가 낮아지게 된다고 판단된다.

후속연구

Donor 원소 첨가는 유전체의 전기적 특성과 미세구조에 영향을 끼치기 때문에 이에 대한 이해와 연구가 필요하다. 본 연구는 희토류 원소의 산화물 중 하나로 A 자리에 치환될 수 있는 La₂O₃를 BaTiO₃에 첨가하여 첨가량에 따른 BaTiO₃의 미세구조, 결정구조, 유전특성의 변화에 대해 이해하고자 실험 및 분석하였다.

참고문헌 (29)

F.D. Morrison, A.M. Coats, D.C. Sinclair and A.R. West, "Charge compensation mechanisms in La-doped $BaTiO_3$ ", J. Electroceram. 6 (2001) 219.

상세보기
F.D. Morrison, D.C. Sinclair and A.R. West, "An alternative explanation for the origin of the resistivity anomaly in La-doped $BaTiO_3$ ", J. Am. Ceram. Soc. 84 (2001) 474.

상세보기
J.-I. Itoh, D.-C. Park, N. Ohashi, I. Sakaguchi, I. Yashima, H. Haneda and J. Tanaka, "Oxygen defects related to electrical properties of La-doped $BaTiO_3$ ", Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 3798.
V. Paunovic, L. Zivkovic and V. Mitic, "Influence of rare-earth additives (La, Sm and Dy) on the microstructure and dielectric properties of doped $BaTiO_3$ ceramics", Sci. Sintering 42 (2010) 69.

상세보기
C. Randall, R. Newnham and L. Cross, "History of the first ferroelectric oxide, $BaTiO_3$ ", Materials Research Institute, The Pennsylvania State University, University Park, Pa, USA (2004) 1.
Y. Sakabe, Y. Hamaji, H. Sano and N. Wada, "Effects of rare-earth oxides on the reliability of X7R dielectrics", Japanese J. Appl. Phys. 41 (2002) 5668.
O. Saburi, "Semiconducting bodies in the family of barium titanates", J. Am. Ceram. Soc. 44 (1961) 54.

상세보기
J. Daniels, K. Hardtl and R. Wernicke, "The PTC effect of barium titanate", Philps Technical Review 38 (1978) 73.
Y. Chen and S. Yang, "PTCR effect in donor doped barium titanate: review of compositions, microstructures, processing and properties", Adv. Appl. Ceram. 110 (2011) 257.
Y.M. Chiang and T. Takagi, "Grain-boundary chemistry of barium titanate and strontium titanate: II, origin of electrical barriers in positive-temperature-coefficient thermistors", J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) 3286.

상세보기
D.C. Sinclair and J.P. Attfield, "The influence of A-cation disorder on the Curie temperature of ferroelectric $ATiO_3$ perovskites", Chem. Commun. 16 (1999) 1497.
F.D. Morrison, D.C. Sinclair and A.R. West, "Doping mechanisms and electrical properties of La-doped $BaTiO_3$ ceramics", Int. J. Inorg. Mater. 3 (2001) 1205.
M. Vijatovic, B. Stojanovic, J. Bobic, T. Ramoska and P. Bowen, "Properties of lanthanum doped $BaTiO_3$ produced from nanopowders", Ceram. Int. 36 (2010) 1817.

상세보기
G. Arlt, D. Hennings and G. De With, "Dielectric properties of fine-grained barium titanate ceramics", J. Appl. Phys. 58 (1985) 1619.

상세보기
N. Wada, H. Tanaka, Y. Hamaji and Y. Sakabe, "Microstructures and dielectric properties of fine-grained $BaTiO_3$ ceramics", Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) 5141.
T. Hoshina, K. Takizawa, J. Li, T. Kasama, H. Kakemoto and T. Tsurumi, "Domain size effect on dielectric properties of barium titanate ceramics", Jpn. J. Appl. Phys. 47 (2008) 7607.
T. Hoshina, "Size effect of barium titanate: fine particles and ceramics", J. Ceram. Soc. Japan, 121 (1410) (2013) 156.
D. Ghosh, A. Sakata, J. Carter, P.A. Thomas, H. Han, J.C. Nino and J.L. Jones, "Domain wall displacement is the origin of superior permittivity and piezoelectricity in $BaTiO_3$ at intermediate grain sizes", Adv. Funct. Mater. 24 (2014) 885.

상세보기
T. Hoshina, S. Hatta, H. Takeda and T. Tsurumi, "Grain size effect on piezoelectric properties of $BaTiO_3$ ceramics", Jpn. J. Appl. Phys. 57 (2018) 0902BB.
S.-M. An and S.-J.L. Kang, "Boundary structural transition and grain growth behavior in $BaTiO_3$ with $Nd_2O_3$ doping and oxygen partial pressure change", Acta Materialia 59 (2011) 1964.

상세보기
S.-J.L. Kang, "Sintering: densification, grain growth and microstructure", Elsevier (2004).
Y.-I. Jung, S.-J.L. Kang and D.Y. Yoon, "Coarsening of polyhedral grains in a liquid matrix", J. Mater. Res. 24 (2009) 2949.

상세보기
L.L. Hench and J.K. West, "Principles of electronic ceramics", Wiley (1989).
J.N. Wilson, J.M. Frost, S.K. Wallace and A. Walsh, "Dielectric and ferroic properties of metal halide perovskites", APL Mater. 7 (2019) 010901.

상세보기
S.Y. Chung, S.J.L. Kang and V.P. Dravid, "Effect of sintering atmosphere on grain boundary segregation and grain growth in niobium-doped $SrTiO_3$ ", J. Am. Ceram. Soc. 85 (2002) 2805.

상세보기
K.-S. Moon, D. Rout, H.-Y. Lee and S.-J.L. Kang, "Effect of $TiO_2$ addition on grain shape and grain coarsening behavior in $95Na_{1/2}Bi_{1/2}TiO_3-5BaTiO_3$ ", J. Eur. Ceram. Soc. 31 (2011) 1915.

상세보기
Y.K. Cho, D.Y. Yoon and B.K. Kim, "Surface roughening transition and coarsening of NbC grains in liquid cobalt-rich matrix", J. Am. Ceram. Soc. 87 (2004) 443.

상세보기
A. Ianculescu, Z. Mocanu, L. Curecheriu, L. Mitoseriu, L. Padurariu and R. Trusca, "Dielectric and tunability properties of La-doped $BaTiO_3$ ceramics", J. Alloys Compd. 509 (2011) 10040.

상세보기
H.-I. Hsiang, F.-S. Yen and C.-Y. Huang, "Effects of porosity on dielectric properties of $BaTiO_3$ ceramics", Jpn. J. Appl. Phys. 34 (1995) 1922.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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