The Influence of the Synthesis Parameters and Structure on the Electrical Properties of Ba0.77Sr0.23TiO3 Ceramics

Rezultati istraživanja u oblasti elektronske keramike u najvećoj meri direktno zavise od poznavanja procesa konsolidacije (presovanje i sinterovanje) keramičkih prahova, što, posmatrano sa gledišta poimanja prirode, ukazuje na univerzalnost ovoga procesa. Razvoj savremenih keramičkih materijala omogućen je zahvaljujući multidisciplitarnom proučavanju i doprinosu istraživanja u različitim oblastima kao što su nauka o materijalima, fizika, hemija i elektronika. Rezultati naučnog i tehnološkog istraživanja objavljuju se u različitim naučnim publikacijama, što je izraz velikog značaja elektronske keramike u savremenoj tehnici. Prema aktuelnim naučnim istraživanjima koja se odnose na projektovanje i razvoj novih elektronskih keramičkih komponenti (izolatorska, termistorska, elektrooptička, piezoelektrična keramika, memorijski uređaji na bazi feroelektrične keramike itd.), BST keramika kao i jedinjenja sa strukturom perovskita su od posebnog interesa. Kondenzatorska keramika na bazi BST obuhvata: visokofrekventne kondenzatore (promenljivi, nelinearni kondenzatori čija se električna kapacitivnost jako menja sa promenom primenjenog napona), višeslojne kondenzatore sa relativnom dielektričnom konstantom εr (1-15)·103 (zastupljene u tehnologiji debeloslojnih hibridnih kola), čip-kondenzatore sa barijernim slojem kod kojih je εr (20-80)·103, itd. U okviru ove grupe materijala, višeslojni keramički kondenzatori (MLCCs - Multi Layer Ceramic Capacitor) su već duže vreme jedan od najvažnijih i široko korišćenih pasivnih komponenti u elektronskoj industriji. Takođe, BST je široko proučavan i razvijan za potencijalnu primenu u dinamičkim «random access» memorijama i u NVRAM uređajima sa nedestruktivnom modom očitavanja. Tanki filmovi BST pokazuju prednosti u nizu primena, kako u memorijskim elementima u NVRAM i DRAM uređajima (u kompjuterima, mobilnim telefonima, digitalnim kamerama, MP3 plejerima i mnoštvu drugih portabl uređaja), tako i u elektrooptičkim prekidačima, optičkim talasovodima, piroelektričnim detektorima, optičkim modulatorima, itd. Barijum-stroncijum-titanat, Ba1-xSrxTiO3, (BST) je feroelektrični materijal sa tetragonalnom strukturom na sobnoj temperaturi za x<0,3, koji ima perovskitnu strukturu (ABO3). BST je čvrst rastvor sastavljen od titanata, barijum-titanata (BaTiO3) i stroncijum-titanata (SrTiO3). BaTiO3 je feroelektrični materijal sa Kirijevom temperaturom (Tc =393K), dok je SrTiO3 paraelektrični materijal sa neferoelektričnim faznim transformacijama kod koga je Kiri temperatura (Tc =105K). Na sobnoj temperaturi za sistem čvrstog rastvora u feroelektričnoj fazi sadržaj Ba je u opsegu od 0,7 do 1,0; dok je sadržaj Ba u paraelektričnoj fazi manji od 0,7. Kirijeva temperatura BST linearno opada sa povećanjem koncentracije Sr. Zbog toga Kiri temperatura BST a samim tim i njene osobine mogu biti prilagođene širokom opsegu da bi se zadovoljili zahtevi različitih primena. Ova vrsta fleksibilnosti osobina a samim tim i potencijalni opseg primene nije prisutan kod konvencionalne feroelektrične keramike. Postoji nekoliko različitih metoda za sintezu praha Ba1-xSrxTiO3, bilo suvom ili mokrom hemijskom sintezom. Prva grupa metoda zasnovanih na reakcijama u čvrstom stanju, su i najčešće metode za dobijanje BST dok su u drugoj grupi ko-precipitacija, sprej piroliza i neke sol-gel tehnike. Među njima su i hidrotermalne tehnike koje predstavljaju komercijalan način za dobijanje datog materijala. Svaka od ovih metoda ima svoje prednosti i mane. Neke od tih prednosti su dobijanje superfinog praha visoke čistoće i nizak stepen aglomeracije, dok su nedostaci visoka temperatura kalcinacije (od 1000oC do 1200oC), zatim korišćenje veće količine početnog praha, velika veličina zrna zbog čega se ne mogu koristiti za dobijanje materijala sa velikom dielektričnom konstantom. U skorije vreme u cilju sniženja temperature kalcinacije i dobijanja materijala definisane mikrostrukture, sve više se koristi i metoda mehaničke aktivacije. Cilj ovog rada je da pokaže uticaj mehaničke aktivacije i režima sinterovanja na promenu strukture i električna svojstva BST keramike. Na osnovu detaljne analize temperaturske zavisnosti, realne dielektrične propustljivosti i tangensa ugla gubitaka, kao i uticaja mehaničke aktivacije na promenu frekventnih karakteristika biće definisani optimalni tehnološki parametri za dobijanje Ba0,77Sr0,23TiO3 keramike unapređenih električnih karakteristika

Effect of Chemical Composition on Microstructural Properties and Sintering Kinetics of (Ba,Sr) TiO3 Powders

Barium strontium titanate powders with different Ba: Sr ratios were investigated to determine the influence of the initial composition of powder mixture on microstructural properties and sintering kinetics. It was determined that BaCO3 and SrCO3 react differently to mixing, resulting in Ba0.5Sr0.5CO3 in the sample with 80% Ba and different contents of Ba1-xSrxTiO3 in samples with 50% and 20% Ba. In addition, the morphology is also different, with higher Sr content leading to larger particles size and less agglomeration. The different chemical content of the initial powder mixture also has a marked impact on the sintering process: the onset of sintering shifts towards higher temperature with higher Sr content, while the average apparent activation energy of sintering is the highest for the sample with 80% Ba and the lowest for the mixture with 50% Ba. In addition, hexagonal-to-cubic phase transformation was observed in parallel with the sintering process, where the position of the phase transition shifts to lower temperatures with an increase in Sr content. This is consistent with the behavior of low-temperature phase transitions of BST. The phase transition was not observed in sintered samples, suggesting that there is a size-dependence of the phase transition temperature

Electronic properties of BZT nano-ceramic grades at low frequency region

BZT ceramics was prepared by using fine powder mixture of BaCO3, TiO2 and ZrO2 in the respective molar ratio to form Ba(Zr0.10Ti0.90)O3 via solid state reaction at elevated temperature. The prepared BZT was milled in the planetary ball mill from 0-120 min to achieve different powder grades from micron to nano-sized particles. After the powder characterization by XRD and SEM the samples were pressed in disc shape and sintered at different temperatures from 1100-1350°C in the air. The sintered samples were characterized by SEM and their density and average grain size was determined and presented vs. sintering temperature and powder grades (milling time). After that the silver epoxy electrodes were deposited on sintered disc samples. The disc samples capacity and resistivity were measured at low frequency region from 1 Hz to 200 kHz using low frequency impedance analyzer. The sintering temperatures and powder grades were used as parameters. Finally the specific resistance ρ, dielectric constant (ε' + jε") and tgδ where determined from the impedance measurements. The behavior of electronic properties where analyzed e.g. the relaxation effect of the space charge (inter-granular electric charges) vs. sintering temperature and ceramic grades. The results obtained were compared with best literature data for the losses in BZT ceramics at low frequencies

Influence of mechanical activation on functional properties of barium hexaferrite ceramics

Barium hexaferrite ceramics were prepared using mechanically activated mixtures of iron and barium titanate. The 60:40 mass% Fe:BaTiO3 powder mixtures were mechanically activated for different times (100-240 min) and sintered at 1100 and 1200 degrees C in order to determine the influence of mechanical activation of the precursor on the magnetic and dielectric properties of the resulting barium hexaferrite ceramics. The final product contained 84-89 mass% of Ba2Fe22.46O38Ti1.54 phase, with higher content corresponding to longer mechanical activation of the precursor. XRD and Raman measurements indicated that the remainder of the sample consists of leftover BaTiO3 and hematite, which was formed by the oxidation of iron during mechanical activation and sintering in air. Magnetic properties of samples sintered at 1200 degrees C are superior to those sintered at 1100 degrees C, which can be attributed to higher Ba2Fe22.46O38Ti1.54 phase content. The position of the Curie temperature in 350-420 degrees C temperature region is consistent with 0.8:1 ratio of Ti to Ba. Maximum magnetization was observed for samples activated for 120 min. Dielectric properties of samples sintered at 1200 degrees C showed a dependence on frequency, with a significant drop in relative permittivity with an increase in frequency in the low-frequency region, and relatively constant values of relative permittivity in the high-frequency region. The tangent loss showed a decrease with increase in frequency, where peaks corresponding to the resonance of the electron hopping frequency with the external field were observed in the samples corresponding to the longer mechanical activation. Dielectric properties showed relatively small changes for samples activated longer than 150 min

Advanced Ceramics and Application : new frontiers in multifunctional material science and processing : program and the book of abstracts : II Serbian Ceramic Society Conference, Sep 30th-Oct 1st, 2013, Belgrade

Program and the book of abstracts of the II Serbian Ceramic Society Conference, Sep 30th-Oct 1st, 2013, Belgrad

Influence of Mechanical Activation on Electrical Properties of Ceramic Materials in VHF Band

Mechanical activation is commonly used as a pre-sintering process in order to enhance the reactivity of materials, reduce the particle size, increase diffusion rates, accelerate the reaction, and lower the sintering temperature. The mechanical activation can affect the final electrical and mechanical characteristics. In this paper we consider the influence of the mechanical activation on the permittivity and the loss tangent. We outline methods for evaluation of these parameters, with emphasis on our coaxial-chamber technique for measurements in the VHF band

Combinatorial synthesis and screening of (Ba,Sr)(Ti,Mn)O-3 thin films for optimization of tunable co-planar waveguides

The identification and optimization of tunable dielectric materials exhibiting low loss characteristics in the GHz frequencies are essential in the development of low power devices for microwave applications. We have applied a combinatorial synthetic methodology employing multiple atomic evaporative sources to produce compositional gradient thin film (Ba,Sr)(Ti,Mn)O3 perovskites. High throughput screening chips of both capacitive and waveguide structures are used to measure the compositional dependence of the dielectric properties of the fully characterised thin film materials. The co-planar waveguides are shown to allow measurements at frequencies exceeding 10 GHz. Using this methodology, we have identified (Ba,Sr)(Ti,Mn)O3 compositions which exhibit good tunability with low losses at microwave frequencies: for a single device with a 10 V DC bias one can achieve a 12° phase shift with excellent transmission characteristics, and an insertion loss of ∼3.2 dB. We show that small changes in composition can result in a significant change in dielectric characteristics and device performance, and that the experimental protocol developed provides a powerful methodology for the development of materials and microwave devices

Effects of Mechanical Activation on the Formation and Sintering Kinetics of Barium Strontium Titanate Ceramics

The influence of mechanical activation on the formation, sintering kinetics and morphology was investigated in sintered barium strontium titanate (BST) ceramics with different Ba-to-Sr ratios. Initial powders were mechanically activated for 20 and 120 min, leading to mechano-chemical reaction and formation of BaxSr1-xTiO3 phases. Agglomeration was found to represent an important factor in the process of formation of BaxSr1-xTiO3 phases around 800 oC and during sintering. It reduces the effectiveness of mechanical activation on formation of BaxSr1-xTiO3 phases beyond the short period (20 min), while in the process of sintering, prolonged mechanical activation (120 min) leads to a significant reduction in sintering temperature and the corresponding value of activation energy. In addition, all three systems show a phase transformation around 1100 oC, attributed to the hexagonal-to-cubic phase transition. Morphology of the final sintered ceramics can be correlated primarily with the state of the pre-sintered powder, where mechanically activated powders with smaller particle size produced more compact and less porous final product

A low-loss and medium dielectric permittivity SrTiO3/HIPS composite for rapid prototyping of next-generation microwave devices

Composite polymer/ceramic filaments for material extrusion-based fused filament fabrication (FFF) additive manufacturing, using strontium titanium oxide (SrTiO3) ceramic fillers and high impact polystyrene (HIPS) thermoplastics were produced and their dielectric and physical properties characterised for the first time. Relative permittivity (εr), quality factor (Q × f) and dielectric loss (tanδ) were measured as a function of ceramic solids loading (vol%) at 5 GHz. εr = 4.6, Q × f = 38,378 GHz and dielectric loss tanδ = 0.001 were obtained for a SrTiO3/HIPS ceramic polymer composite, with 15 vol% (46 wt%) solids loading. A Plackett–Burman design of experiments was used to optimize the printing process of the ST/HIPS composites. The results of this optimisation helped achieve 3D printed parts with near-full density (99 %) and εr = 5.3, tanδ = 0.001. The composite materials exhibit reduced dielectric losses compared with commercially available feedstocks for FFF that are currently used for functional prototyping in the radiofrequency and telecommunications industry

Dielectric Barium Strontium Titanate Ceramics

С обзиром на то да развој савремене технике није могућ без нових ма‑ теријала, што је објективно последица достигнућа у области науке о материјалима, аутор се у овој монографији бави керамичким материјали‑ ма који већ дуги низ година имају значајну улогу у свим областима дело‑ вања савременог човека, посебно баријум‑стронцијум‑титанатом. Наводи се да су материјали на бази BST широко прихваћена тема истраживања због своје високе пермитивности, малог диелектричног губитка, високог коефицијента подешавања, велике брзине реакције, способности против квара, једноставног процеса производње итд. Као додатна предност, они не садржe олово и стога су у складу са тренутним захтевима за еколошки нешкодљиве материјале, што их чини веома атрактивним за потенцијалне примене. Имајући наведено у виду, а узимајући у обзир значај ових мате‑ ријала као фероелектрика, ова монографија се бави проучавањем нових материјала на бази баријум‑стронцијум‑титаната односно његове синтезе под контролисаним условима механичке активације и синтеровања ради даље функционалне примене у електронској индустрији. Аутор се у монографији бави утицајем механичке активације на процес формирања Ba1‑x SrxTiO3(BST) керамике синтеровањем у чврстој фази, која обезбеђује добру хомогеност прахова, доводи до снижења температуре калцинације и омогућава синтезу BST керамикe дефинисаног фазног састава. Баријум‑стронцијум‑титанат је припремљен од почетних материјала BaCO3, SrCO3 и TiO2 кроз реакције у чврстом стању. Мешавине ових оксида механички су активиране у високоенергетском планетарном млину у различитим временским интервалима од 0 до 120 минута у атмосфери ваздуха. Карактеризација прахова је урађена путем X‑ray анализе и пре‑ ко DTA и TG анализе на 1100°C, а расподела величине честица заједно са скенирајућом електронском микроскопијом дале су аутору веома корисне информације о морфологији праха. Микроструктурна анализа показује да продужавање трајања механичке активације резултира мањом просечном величином кристалита, повећањем вредности микродеформација и мини‑ малне густине дислокације. Након механичке активације почетних прахова, узорци су калциниса‑ ни и пресовани, а затим синтеровани у коморној лабораторијској пећи. Изотермско синтеровање пресованих узорака рађено је на температу‑ рама од 1100 до 1400°C у временским интервалима од 0 до 120 минута у атмосфери ваздуха. Ова анализа показује комплексан ендотермни пик у температурном региону 800–1000°C, који се помера ка нижим температу‑ рама и смањује интензитет са повећањем времена механичке активације. Ово указује да механичка активација не само да снижава почетну температуру процеса синтеровања, већ га такође олакшава и смањује укупну енталпију синтеровања, што указује на мању потрошњу енергије са по‑ већањем времена механичке активације. Наводи се да су ови ефекти били израженији у узорцима са већим садржајем стронцијума. Електрична мерења су спроведена за најгушће керамике синтероване на 1400°C два сата. Синтерованим узорцима мерена су микроталасна електрична својства, као што су фактор доброте Q, специфична електрична отпорност (ρ) и диелектрична константа (εr). Електрична својства синтерованих узорака показују доминантан утицај механичке активације у временима активације од 5 до 80 минута. Диелектрична пермитивност у механички активираним узорцима је нижа од оне у неактивираном узор‑ ку. Тренд промене диелектричне пермитивности указује да се ово може до‑ вести у корелацију са секундарном агломерацијом, јер узорци активирани 80 минута показују најнижу вредност диелектричне пермитивности. На основу резултата произашлих из овог експеримента створени су услови за контролу структуре баријум‑стронцијум‑титаната путем пара‑ метара синтезе, а тиме је омогућено добијање материјала са унапред зада‑ тим својствима који могу наћи широку примену у области електронике. Циљ ове монографије је да покаже утицај механичке активације и режи‑ ма синтеровања на промену структуре и електрична својства BST керамике. На основу детаљне анализе температурске зависности, реалне диелек‑ тричне пропустљивости и тангенса угла губитака, као и утицаја механичке активације на промену фреквентних карактеристика биће дефинисани оп‑ тимални технолошки параметри задобијање Ba0,77Sr0,23TiO3 керамике уна‑ пређених електричних карактеристика. Аутор се нада да ће ова монографија бити од помоћи истраживачима у овој важној, динамичној области савремених материјала у електротехници.Modern technological development is not possible without novel materials, where these materials are objectively a consequence of achievements in the field of materials science. This monograph deals with ceramic materials that have, for many years, been playing a significant role in all areas of modern civilization, in particular barium strontium titanate. BST materials have been a widely welcomed topic due to its high permittivity, low dielectric loss, high tunability coefficient, high reaction velocity, anti‑breakdown ability, and simple fabrication process, etc. As an additional advantage, BST family is lead‑free, and therefore compliant with current requirements for environmentally benign materials, making it very attractive for potential applications. Having this in mind, and taking into account the importance of these materials as ferroelectrics, this monograph presents a study of new materials based on barium strontium titanate, and their synthesis under controlled conditions of mechanical activation and sintering for further functional application in the electronics industry. In the monograph, the author examined the influence of mechanical activation on the process of formation of Ba1‑x SrxTiO3 (BST) ceramics using the solid‑state sintering method. The use of the method of mechanical activation ensures a good homogeneity of powders, lowers the calcination temperature, and enables the synthesis of BST ceramics of pre‑defined phase composition. Barium strontium titanate was prepared from the starting materials BaCO3, SrCO3 and TiO2 through solid state reaction. Mixtures of these oxides are mechanically activated in a high‑energy planetary mill at various time intervals from 0 to 120 minutes in air. Powder characterization was done by X‑ray analysis, by DTA and TG analysis at 1100°C, and by particle size distribution combined with scanning electron microscopy. These provided very detailed information about the powder morphology. Microstructural analysis shows that the increase duration of mechanical activation results in lower average crystallite size, and increased values of microstrain and minimal dislocation density. After mechanical activation of the initial powders, samples were calcined and pressed and then sintered in a chamber laboratory furnace. Isothermal sintering of extruded samples was performed at temperatures from 1100 to 1400°C for 0 to 120 minutes in air. This shows a complex endothermic peak in 800–1000°C temperature region, which shifts to lower temperatures and decreases in intensity with the increase in mechanical activation time. This indicates that mechanical activation not only reduces the onset temperature of the sintering process, but also facilitates it and reduces the overall enthalpy of sintering, indicating a reduction of energy consumption with increase in mechanical activation time. Electrical measurements were performed for the densest ceramics sintered at 1400°C for two hours, measuring microwave electrical properties, such as goodness factor (Q), specific electrical resistance (ρ) and dielectric constant (εr). Electrical properties of sintered BST‑S samples show the dominant influence of mechanical activation at activation times from 5 to 80 minutes. Dielectric permittivity in mechanically activated samples is lower than that in non‑activated samples. The trend of change of dielectric permittivity suggests that this can be correlated with secondary agglomeration, because samples activated for 80 minutes exhibit the lowest value of dielectric permittivity. Based on the results obtained from this experiment, synthesis conditions were defined to control the structure of barium strontium titanate through synthesis parameters, enabling the production of materials with predetermined properties that can find wide application in the field of electronics. The author hopes that this monograph would be useful to researchers in this important, dynamic field of modern materials in electrotechnics