Obtaining and characterization of single crystals and ceramics of PZT

Abstract

É conhecido que as propriedades electromecânicas do zirconato titanato de chumbo, PbZrxTi1-xO3 (PZT), alcançam um máximo na região morfotrópica. Este trabalho foi desenvolvido na tentativa de explicar as causas deste máximo e a sua dependência com a microestrutura. Para conhecer essas causas, que provocam o aparecimento de um máximo nas propriedades electromecânicas foi necessário estudar cerâmicos com composições próximas da zona morfotrópica. Os cerâmicos foram caracterizados do ponto de vista dieléctrico e estrutural e o máximo da constante dieléctrica na região morfotrópica foi confirmado, assim como a sua dependência do tamanho do grão. A posição do máximo de permitividade está relacionada com o ponto onde ocorre a transição de fase da estrutura romboédrica para tetragonal. Para conhecer as propriedades intrínsecas do PZT surgiu a necessidade de produzir monocristais destes compostos com dimensões e qualidade adequadas à medição das suas propriedades. No presente trabalho, fizeramse crescer monocristais de PZT com boa qualidade e dimensões relativamente elevadas, usando um método de solução a alta temperatura, com um fluxo de [PbO-KF-PbCl2]-B2O3, numa razão molar de 60/40 entre PZT e fluxo. Primeiro, optimizaram-se as condições de processamento, testando-se diferentes perfis de temperatura e percentagem de fluxo para promover o crescimento e melhorar a qualidade dos cristais de PZT. As condições identificadas como óptimas foram usadas para depois fazer crescer cristais de PZT. Os cristais obtidos evidenciaram uma morfologia cúbica com dimensões típicas de - 3 x 3 x 3 mm3.

The electromechanical properties of lead zirconate titanate PbZrxTi1-xO3 (PZT) materials achieve maxima values in the morphotropic phase boundary. The present research was stimulated by the interest on knowing the causes for these maxima and their dependence on the microstructure. To know the causes that provoke the appearance of a maximum in the electromechanical properties, it was necessary to study ceramics with compositions around the morphotropic phase boundary. The ceramics were characterized from the dielectric and structural viewpoints and the maxima in the morphotropic phase boundary were confirmed, as well as their dependence on the grain size. The position of the maximum of the permittivity is related to the point where the phase transition from the rhombohedral structure to tetragonal one occurs in single crystals. For understanding the intrinsic properties of the PZT it was necessary to grow single crystals with suitable dimensions and adequate quality for measurements of the properties. In the present work, PZT single crystals were grown with sufficient size and quality, using a high temperature solution method, with a flux of [PbO-KF-PbCl2]-B2O3 in a molar ratio of 60/40 between PZT and flux. Initially, the conditions of processing were optimized, followed by different profiles of temperature and flux amounts, to promote the crystal growth and quality of the PZT crystals. The conditions identified as best were used to grow PZT crystals. The crystals obtained showed a cubic morphology with typical size of - 3 x 3 x 3 mm3.