Effects of different dopants on the sintering behaviour and dielectric properties of Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 microwave dielectric ceramics

Abstract

FARKLI KATKILARIN Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 MİKRODALGA DİELEKTRİK SERAMİKLERİN SİNTERLEME DAVRANIŞI VE DİELEKTRİK ÖZELLİKLERİNE ETKİLERİ Son yıllarda kablosuz haberleşme teknolojisinde meydana gelen gelişmeler mikrodalga dielektrik seramiklerin tüketiminde bir artışa neden olmuştur. Haberleşme endüstrisinde mikrodalga dielektrik malzeme olarak kullanılma potansiyeli olan seramiklerden biri de Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 seramiğidir. Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 seramiği yüksek dielektrik sabitine, düşük dielektrik kaybına ve yüksek dirence sahiptir (r=41, Qf=54 THz). Ancak yoğun Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 seramikler 1350°C gibi yüksek sinterlenme sıcaklığına sahip olup, bu durum bu seramiklerin Cu ve Ag gibi düşük ergime sıcaklıklı elektrotlarla kullanımını imkansız hale getirmektedir. Bu nedenle, sinterlenme sıcaklığının düşürülmesi önemlidir. Ayrıca, Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 seramiğinin rezonans frekans sıcaklık katsayısı (f=27 ppm/ K) yüksek olup, mikrodalga uygulamalarında kullanımını kısıtlamaktadır. Bu nedenle farklı dielektrik katsayılarına, düşük dielektrik kaybına, sıfıra yakın rezonans sıcaklık katsayısına, düşük sinterlenme sıcaklığına sahip Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 seramiklerinin üretilmesi, kullanılma potansiyellerini arttıracaktır. Bu çalışmada, uygun iyonik yarıçaplı farklı katyonlar (Indiyum, Seryum, Bizmut, Molibden, Vanadyum, Yitriyum, Hafniyum ve Mangan oksitler), Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 bileşiğine oksitlerin karışımı yöntemiyle katkılandırılmış, her bir katkının bünyedeki çözünürlük sınırı X-ışınları toz difraktometresi ile saptanmıştır. Katkılı seramiklerin yoğunlukları Arşimed yöntemiyle ölçülmüş ve en az %97-98 relatif yoğunluğa sahip olacak şekilde sinterlenmiş, bazılarının iç yapıları taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. X-ışınları difraktometresi çoğu için tek fazlı yapıyı gösterirken, taramalı elektron mikroskopisiyle bazıları için ikincil fazlar gözlenmiştir. Tek fazlı perovskit seramiklerin geniş sıcaklık ve frekans aralığında (20-200°C, 1kHz-2 MHz) dielektrik özellikleri ölçülmüştür. Dielektrik sabitleri genellikle katkı miktarı ile artmıştır ve neredeyse frekanstan bağımsızdır.

EFFECT OF DIFFERENT DOPANTS ON THE SINTERING BEHAVIOUR AND DIELECTRIC PROPERTIES OF Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 MICROWAVE DIELECTRIC CERAMICS Demand on microwave dielectric ceramics rised in recent years due to growth in wireless communication technology. Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 ceramic is one of the material that can be used as microwave dielectric in communication system. Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 ceramic has a high dielectric constant, low dielectric loss and high electrical resistivity (r=41, Qf=54 THz). However, dense Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 ceramics can only be produced at high sintering temperatures of 1350°C which inhibits these ceramics to be co-fired with low melting electrodes (Cu or Ag). Therefore, it is important to reduce the sintering temperature of these ceramics. In addition, the temperature coefficient of resonant frequency of this ceramic is high (f=27 ppm/ K) which restrict the use of these ceramics in microwave applications. In this respect, production of these ceramics with various dielectric constant, low dielectric loss, near zero temperature coefficient of resonant frequency and low sintering temperatures will encourage the usage of these ceramics. In this thesis, various cations with appropriate ionic radius (Indium, Cerium, Bismuth, Molibdenium, Vanadium, Yttrium, Hafnium and Manganese oxide) were doped into the Ba(Zn1/ 3Nb2/ 3)O3 compound by mixed oxide technique and the solubility limit of each cation was determined by X-ray diffractometer. The densities of doped ceramics were measured by Archimedes method and ceramics were sintered to have minimum 97-98 % of relative density. The microstructure of some doped ceramics was examined by scanning electron microscopy. Although X-ray diffractometer indicated single phase structure for most of the dopants, scanning electron microscopy showed some second phases for some dopants. The dielectric properties of doped single phase ceramics were measured in a wide range of temperature and frequency (20-200oC and 1 kHz-2 MHz). The dielectric constants generally increased with dopant contents and were nearly independent of frequency.