ผลการเจือสาร Nb และ Fe ที่มีผลต่อโครงสร้างผลึก สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติแม่เหล็กของเซรามิก BCTS ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง
DOI:
https://doi.org/10.57260/stc.2026.1255คำสำคัญ:
เซรามิกไพอิโซอิเล็กทริก, วัสดุมัลติเฟร์โรอิก , สมบัติทางไฟฟ้า , สมบัติแม่เหล็ก , วิธีการเผาไหม้ของแข็งบทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ศึกษาผลของการเจือคู่สาร Nb และ Fe ในเซรามิกปราศจากตะกั่ว Ba0.945Ca0.055(Ti0.9946-x Sn0.0054)(Nb0.5Fe0.5)xO3โดยที่ x = 0.0, 0.010, 0.020 และ 0.030 ซึ่งเรียกว่าเซรามิก BCTS-xNF ที่ปริมาณ x = 0.00, 0.01, 0.02 และ 0.03 โดยสังเคราะห์ด้วยวิธีการเผาไหม้ของแข็ง ทั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของการเจือคู่สารต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติทางแม่เหล็ก ผลการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction; XRD) แสดงว่าเซรามิกทั้งหมดมีโครงสร้างเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์ และเกิดการเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบเททระโกนัลเป็นแบบลูกบาศก์ เมื่อปริมาณการเจือเพิ่มขึ้น การวิเคราะห์สมบัติไดอิเล็กทริกพบว่าอุณหภูมิคูรี (TC) ลดลงตามการเพิ่มปริมาณ x และสมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกมีแนวโน้มอ่อนลง ผลการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope; SEM) แสดงว่าเซรามิกที่ x = 0.02 มีขนาดเกรนเฉลี่ย และความหนาแน่นสูงที่สุด ขณะที่การวิเคราะห์สมบัติทางแม่เหล็กด้วยเครื่องวัดสมบัติแม่เหล็กแบบสั่นตัวอย่าง (vibrating sample magnetometer; VSM) พบว่าการเจือคู่สารสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสมบัติแม่เหล็กในระบบเซรามิก โดยตัวอย่างที่ x = 0.02 แสดงพฤติกรรมแม่เหล็กที่เด่นชัดที่สุด ผลการศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่าการเจือคู่สาร Nb และ Fe ในเซรามิก BCTS สามารถปรับสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กได้พร้อมกัน และมีศักยภาพสำหรับการพัฒนาเซรามิกมัลติเฟร์โรอิกปราศจากตะกั่วในอนาคต
Downloads
เอกสารอ้างอิง
Bhardwaj, S., Kumar, S., & Thakur, N. (2023). Effect of calcination temperature on structural and electrical properties of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics prepared by solid-state route. Bulletin of Materials Science, 46, 170. https://doi.org/10.1007/s12034-023-03014-1
Chawla, A., Singh, A., Babu, P. D., & Singh, M. (2021). Composition dependent high M–E coupling strength, multiferroic behaviour and phase analysis of Fe doped BCT solid solutions. Journal of Alloys and Compounds, 857, 158255. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158255
Dang, N. V., Thanh, T. D., Hong, L. V., Lam, V. D., & Phan, T.-L. (2011). Structural, optical and magnetic properties of polycrystalline BaTi1−xFexO3 ceramics. Journal of Applied Physics, 110, 043914. https://doi.org/10.1063/1.3625235
Dou, R., Yang, L., Xu, J., Zhang, X., Xie, H., Yuan, C., Zhou, C., Chen, G., & Wang, H. (2019). The modification of (Nd0.5Ta0.5)4+ complex-ions on structure and electrical properties of Bi0.5Na0.5TiO3–BaTiO3 ceramics. Materials Research, 22(2), 20180720. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2018-0720
Fiebig, M., Lottermoser, T., Meier, D., & Trassin, M. (2016). The evolution of multiferroics. Nature Reviews Materials, 1, 16046. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.46
Jena, S. K., Seehra, M. S., Sarkar, T., Reehuis, M., Hoser, A., Weise, B., & Thota, S. (2023). Spin-liquid state with precursor ferromagnetic clusters interacting antiferromagnetically in frustrated glassy tetragonal spinel Zn0.8Cu0.2FeMnO4. Journal of Physics: Condensed
Matter, 35(37), 375802. https://doi.org/ 10.1088/1361-648X/acdbfa
Habiba, U., Esha, I. N., Kasem, M. R., Khan, M. N. I., & Maria, K. H. (2023). Exploring the coupling effect of ferromagnetic Co0.8Zn0.2Fe2O4 with the ferroelectric Ba0.5La0.5TiO3 at different concentrations in composite multiferroics. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 580, 170890. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.170890
Hill, N. A. (2000). Why are there so few magnetic ferroelectrics?. Journal of Physical Chemistry B, 104(29), 6694–6709. https://doi.org/10.1021/jp000114x
Kmječ, T., Kohout, J., Dopita, M., Záveta, K., Veverka, M., Kaman, O., Knížek, K., Maryško, M., Jirák, Z., & Buixaderas, E. (2022). Magnetic properties and 57Fe Mössbauer spectroscopy of Pb1-xBax(Fe0.5Nb0.5)O3 perovskites. Materials Science and Engineering: B, 278, 115627. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2022.115627
Kiran, R. R., Mondal, R. A., Dwivedi, S., & Markandeyulu, G. (2014). Structural, magnetic and magnetoelectric properties of Nb substituted cobalt ferrite. Journal of Alloys and Compounds, 610, 517–522. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2014.05.051
Kornphom, C., Saenkam, K., Jantaratana, P., Pinitsoontorn, S., & Bongkarn, T. (2023). Investigations on the multiferroic properties of lead-free BNT-BCTS:MFO ceramic composites fabricated by the solid-state combustion technique. JOM, 75(7), 2669–2683. https://doi.org/10.1007/s11837-023-05835-1
Kornphom, C., Saenkam, K., Yotthuan, S., Vittayakorn, N., & Bongkarn, T. (2024). Enhanced electrical and energy storage performances of Fe, Sb co-doped BNBCTS ceramics synthesized via the solid-state combustion technique. Ceramics International, 50(23), 51789–51803. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.203
Kornphom, C., Sonchaopri, N., Yimsabai, S., Jantaratana, P., Pinitsoontorn, S., Vittayakorn, N., & Bongkarn, T. (2025). Multifunctional properties of Mn and Fe co-doped lead-free BCT perovskite ceramics synthesized via solid-state combustion. Radiation Physics and Chemistry, 235, 112822. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2025.112822
Kornphom, C., Yotthuan, S., Chootin, S., & Bongkarn, T. (2018). The influence of the firing temperatures on the phase evolution, microstructure, dielectric and strain responses of BCTS ceramics prepared by the solid-state combustion technique. Physica Status Solidi (a), 215(21), 1701058. https://doi.org/10.1002/pssa.201701058
Lia, C.-X., Honga, Y.-N., Yang, B., Zhang, S.-T., Liu, D.-Q., Wang, X.-M., Liu, Q., Zhao, L., & Cao, W.-W. (2020). Phase transition, ferroelectric and piezoelectric properties of B-site complex cations (Fe0.5Nb0.5)4+-modified Ba0.70Ca0.30TiO3 ceramics. Ceramics International, 46(7), 9519–9529. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.214
Liu, W., Ma, X., Ren, S., Lei, X., & Liu, L. (2020). Tunable phase transition in (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 by B-site cations. Applied Physics A, 126(4), 269. https://doi.org/10.1007/s00339-020-3448-1
Lv, Y., Xiang, J., Wen, F., Luo, W., Liu, C., Lan, J., Yang, J., & Zhang, W. (2015). Double spin-glass-like behavior and antiferromagnetic superexchange interaction between Fe3+ ions in α-Ga2-xFexO3 (0 ≤ x ≤ 0.4). Chinese Physics B, 24(3), 037502. https://doi.org/10.1088/1674-1056/24/3/037502
Raevski, I. P., Titov, V. V., Malitskaya, M. A., Kubrin, S. P., Sarychev, D. A., Raevskaya, S. I., Stashenko, V. V., Titov, S. V., Prosandeev, S. A., & Bellaiche, L. (2014). Studies of ferroelectric and magnetic phase transitions in multiferroic PbFe0.5Ta0.5O3–PbTiO3 solid solution ceramics. Journal of Materials Science, 49(19), 6459–6466. https://doi.org/10.1007/S10853-014-8376-Z
Redhu, P., Sharma, P., Hood, A., Singh, A., Sharma, G., & Puni, R. (2021). Role of charge compensation mechanism and defect dipoles on properties of Mn doped BCT ceramics. Ceramics International, 47(8), 11491–11501. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.277
Rahman, M. A., Hasan, Z., Islam, J., Das, D. K., Chowdhury, F. I., Khandaker, M. U., & Ullah, M. H. (2023). Tailoring the properties of bulk BaTiO3-based perovskites by heteroatom-doping towards multifunctional applications: A review. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 12(10), 103015. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ad00da
Shukla, R., & Dhaka, R. (2023). Evolution of complex magnetic phases and metal-insulator transition through Nb substitution in La0.5Sr0.5Co1−xNbxO3. Physical Review, 107, 165108. https://doi.org/10.1103/physrevb.107.165108
Wang, D., Bokov, A. A., Ye, Z.-G., Hlinka, J., & Bellaiche, L. (2016). Subterahertz dielectric relaxation in lead-free Ba(Zr, Ti)O3 relaxor ferroelectrics. Nature Communications, 7, 11014. https://doi.org/10.1038/ncomms11014
Yang, Z., Hou, Y., Liu, B., & Wei, L. (2009). Structure and electrical properties of Nd2O3-doped 0.82Bi0.5Na0.5TiO3–0.18Bi0.5K0.5TiO3. Ceramics. Ceramics International, 35(4), 1423–1427. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2008.07.014
Yuan, B., Yang, J., Chen, J., Zuo, X., Yin, L., Tang, X., Zhu, X., Dai, Y., & Song, W. (2014). Magnetic and dielectric properties of Aurivillius phase Bi6Fe2Ti3-2xNbxCoxO18 (0 ≤ x ≤ 0.4). Applied Physics Letters, 104, 062413. https://doi.org/10.1063/1.4865422
Zheng, T., Wu, J., Xiao, D., & Zhu, J. (2018). Recent development in lead-free perovskite piezoelectric bulk materials. Progress in Materials Science, 98, 552–624. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.06.002
Zhu, L.-F., Zhang, B.-P., Zhao, L., Li, S., Zhou, Y., Shi, X.-C., & Wang, N. (2016). Large piezoelectric effect of (Ba,Ca)TiO3–xBa(Sn,Ti)O3 lead-free ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 36(4), 1017–1024. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.11.039
ดาวน์โหลด
เผยแพร่แล้ว
รูปแบบการอ้างอิง
ฉบับ
ประเภทบทความ
สัญญาอนุญาต
ลิขสิทธิ์ (c) 2026 วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสู่ชุมชน
อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
1. บทความ ข้อมูล เนื้อหา รูปภาพฯลฯ ที่ได้รับการตีพิมพ์ใน “วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสู่ชุมชน” ถือเป็นลิขสิทธิ์ของวารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสู่ชุมชน มหาวิทยาลัยราชภัฏเชียงใหม่ หากบุคคลหรือหน่วยงานใดต้องการนำทั้งหมดหรือส่วนหนึ่งส่วนใดไปเผยแพร่ต่อหรือกระทำการใดๆ จะต้องได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษรจาก วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสู่ชุมชน มหาวิทยาลัยราชภัฏเชียงใหม่
2. เนื้อหาบทความที่ปรากฏในวารสารเป็นความรับผิดชอบของผู้เขียนบทความโดยตรง ซึ่งกองบรรณาธิการวารสารไม่จำเป็นต้องเห็นด้วยหรือร่วมรับผิดชอบใดๆ
