ENVIRONMENTALLY FRIENDLY PROCESSING OF LEAD FREE SODIUM POTASSIUM NIOBATE THICK FILMS BY ELECTROPHORETIC DEPOSITION

When looking for industrial applications environmental compatible solutions are highly desired. When looking at microelectronics miniaturization, functionalization and performance are also highly required. When looking at technologies for deposition of thick films electrophoretic deposition (EPD) is attracting increasing interest for a wide range of technical applications due to its high flexibility, low cost and simplicity of management, facility to fabricate intricate shapes and to be scaled-up for large volume fabrication. Within this context in this work aqueous based electrophoretic deposition (EPD) of lead free sodium potassium niobate (KNN) is demonstrated. The goal of our work is to establish the range of conditions in which aqueous deposition of KNN films is possible. By the use of a relatively environmental friendly additive, such as sodium dodecyl sulfate (SDS), high quality crack and defect free KNN films are prepared. The deposition mechanism and the electromechanical performance of these films are presented and discussed. KNN thick films on metallic substrates with thickness varying between 10 - 15 µm have dielectric permittivity of 495, dielectric losses of 0.08 at 1 MHz and a piezoelectric coefficient d33 of ~70 pC/N. At TC (≈405 °C), these films exhibit a relative permittivity of 2166 and loss tangent of 0.11 at 1 MHz. A comparison of the physical properties between these films and their bulk ceramics counterparts demonstrates the impact of aqueous based EPD technique for the preparation of lead free ferroelectric thick films. This opens the door to the possible development of high-performance, lead-free piezoelectric thick films by a sustainable low cost process, expanding the applicability of lead free piezoelectrics. Please click Additional Files below to see the full abstract

Verres, vitrocéramique et céramique à base de TeO2 pour l'optique

Owing to thier high optical quality, single-crystals are widely used in photonics, for high power laser, frequency conversion… However, single-crystals are constrained by their manufacturing process which is slow and expensive and because it difficult to obtain large parts. Tellurite glasses are ideal candidate due to their high nonlinear response, the easy glass shaping and their low manufacturing cost. Nonetheless, for some kind of applications requiring second order nonlinear effects, glasses can’t be used because of their optical isotropy. During this thesis, we undertook the elaboration of tellurite glass-ceramics composites consisting of noncentrosymmetric crystals able to generate second harmonic signal. Composites are elaborated by SPS co-sintering of a glass powder and crystals. We are also interested in the elaboration of transparent tellurite ceramics in order to make millimetric laser cavities. Indeed, tellurite-based materials are interesting candidates owing to their high nonlinear refractive index and their low phonon energy, which favors radiative transitions. Transparent ceramics have been fabricated by an innovative way, the full and congruent crystallization of glass which combines the easy glass shaping and the properties of the final ceramic. We have also developed the elaboration of a new transparent tellurate ceramic (TeVI) by SPS sintering of a crushed ceramic powder. Tellurate compounds have the advantage of showing low phonon energy and interesting microwave dielectric properties.Du fait de leur grande qualité optique, les monocristaux sont largement utilisés dans le domaine de la photonique, pour l’émission laser de puissance, la conversion de fréquence,.... Les monocristaux sont toutefois limités par leur mode fabrication qui est lent et onéreux et par la difficulté d’obtenir des pièces de grandes dimensions. Les verres tellurites sont des candidats de choix en raison de leur réponse non-linéaire élevée, leur mise en forme aisée et leur faible coût de production. Toutefois, pour certaines applications nécessitant des effets non-linéaires de second ordre, les verres ne peuvent pas être utilisés en raison de leur isotropie optique. Au cours de cette thèse, nous avons donc entrepris l’élaboration de composites vitrocéramiques tellurites composés de cristaux non-centrosymétriques capables de générer un signal de seconde harmonique. Les composites sont élaborés par co-frittage SPS d’une poudre de verre et de cristaux. Nous nous sommes également intéressés à la réalisation de céramiques transparentes tellurites pour l’élaboration de cavités lasers de dimensions millimétriques. Les matériaux tellurites sont en effet des candidats intéressants en raison de leurs indices de réfractions linéaires élevées et leurs basses énergies de phonon qui favorisent les transitions radiatives. Les céramiques transparentes ont été obtenues par un procédé innovant de cristallisation complète et congruente du verre qui allie la facilité de mise en forme du verre et les propriétés de la céramique finale. Nous avons également mise en œuvre la réalisation d’une nouvelle céramique transparente tellurate (TeVI) par frittage SPS d’une poudre céramique broyée. Les composés tellurates ont l’avantage de présenter de basses énergies de phonons et des propriétés diélectriques micro-ondes intéressantes

TeO2-based glasses, glass-ceramics and ceramics for photonics

Du fait de leur grande qualité optique, les monocristaux sont largement utilisés dans le domaine de la photonique, pour l’émission laser de puissance, la conversion de fréquence,.... Les monocristaux sont toutefois limités par leur mode fabrication qui est lent et onéreux et par la difficulté d’obtenir des pièces de grandes dimensions. Les verres tellurites sont des candidats de choix en raison de leur réponse non-linéaire élevée, leur mise en forme aisée et leur faible coût de production. Toutefois, pour certaines applications nécessitant des effets non-linéaires de second ordre, les verres ne peuvent pas être utilisés en raison de leur isotropie optique. Au cours de cette thèse, nous avons donc entrepris l’élaboration de composites vitrocéramiques tellurites composés de cristaux non-centrosymétriques capables de générer un signal de seconde harmonique. Les composites sont élaborés par co-frittage SPS d’une poudre de verre et de cristaux. Nous nous sommes également intéressés à la réalisation de céramiques transparentes tellurites pour l’élaboration de cavités lasers de dimensions millimétriques. Les matériaux tellurites sont en effet des candidats intéressants en raison de leurs indices de réfractions linéaires élevées et leurs basses énergies de phonon qui favorisent les transitions radiatives. Les céramiques transparentes ont été obtenues par un procédé innovant de cristallisation complète et congruente du verre qui allie la facilité de mise en forme du verre et les propriétés de la céramique finale. Nous avons également mise en œuvre la réalisation d’une nouvelle céramique transparente tellurate (TeVI) par frittage SPS d’une poudre céramique broyée. Les composés tellurates ont l’avantage de présenter de basses énergies de phonons et des propriétés diélectriques micro-ondes intéressantes.Owing to thier high optical quality, single-crystals are widely used in photonics, for high power laser, frequency conversion… However, single-crystals are constrained by their manufacturing process which is slow and expensive and because it difficult to obtain large parts. Tellurite glasses are ideal candidate due to their high nonlinear response, the easy glass shaping and their low manufacturing cost. Nonetheless, for some kind of applications requiring second order nonlinear effects, glasses can’t be used because of their optical isotropy. During this thesis, we undertook the elaboration of tellurite glass-ceramics composites consisting of noncentrosymmetric crystals able to generate second harmonic signal. Composites are elaborated by SPS co-sintering of a glass powder and crystals. We are also interested in the elaboration of transparent tellurite ceramics in order to make millimetric laser cavities. Indeed, tellurite-based materials are interesting candidates owing to their high nonlinear refractive index and their low phonon energy, which favors radiative transitions. Transparent ceramics have been fabricated by an innovative way, the full and congruent crystallization of glass which combines the easy glass shaping and the properties of the final ceramic. We have also developed the elaboration of a new transparent tellurate ceramic (TeVI) by SPS sintering of a crushed ceramic powder. Tellurate compounds have the advantage of showing low phonon energy and interesting microwave dielectric properties

Unleashing the Full Sustainable Potential of Thick Films of Lead-Free Potassium Sodium Niobate (K0.5Na0.5NbO3) by Aqueous Electrophoretic Deposition

A current challenge for the fabrication of functional oxide-based devices is related with the need of environmental and sustainable materials and processes. By considering both lead-free ferroelectrics of potassium sodium niobate (K0.5Na0.5NbO3, KNN) and aqueous-based electrophoretic deposition here we demonstrate that an eco-friendly aqueous solution-based process can be used to produce KNN thick coatings with improved electromechanical performance. KNN thick films on platinum substrates with thickness varying between 10 and 15 mu m have a dielectric permittivity of 495, dielectric losses of 0.08 at 1 MHz, and a piezoelectric coefficient d(33) of, similar to 70 pC/N. At T-C these films display a relative permittivity of 2166 and loss tangent of 0.11 at 1 MHz. A comparison of the physical properties between these films and their bulk ceramics counterparts demonstrates the impact of the aqueous-based electrophoretic deposition (EPD) technique for the preparation of lead-free ferroelectric thick films. This opens the door to the possible development of high-performance, lead-free piezoelectric thick films by a sustainable low-cost process, expanding the applicability of lead-free piezoelectrics

Elaboration and microwave dielectric properties of the potassium niobium tellurate KNbTeO6.

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Near Isostatic Sintering of Infrared Glass in a Carbon-Free Environment

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La cristallisation complète du verre : vers de nouvelles céramiques transparentes.

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Séminaire : La cristallisation complète du verre: vers de nouvelles céramiques transparentes.

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TeO2-based glasses, glass-ceramics and ceramics for optical and microwave dielectric applications.

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Verres et vitrocéramiques transparentes à base d’oxyde de tellure élaborés par SPS

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