โครงการนี้เป็นงานวิจัยที่จะดำเนินการเตรียมผงขนาด ultra fine ของสารประกอบชนิดต่างๆ ด้วยวิธีการต่างๆ นำไปทำเป็นเซรามิกทั้งหนาและบาง เพื่อศึกษาความสัมพันธ์โครงสร้างและสมบัติต่างๆ ของสารที่เตรียมได้ โครงการนี้อาจแยกเป็น 4 โครงการย่อย คือ โครงการย่อยที่ 1 สารประกอบพิโซอิเล็กทริก Ba(ZrxTi1-x)O3 Piezoelectric of Ba(ZrxTi1-x)O3 compounds ในการศึกษาสารละลายของแข็งในระบบ (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3 – xBa(Zr0.05Ti0.95)O3 โดยสนใจอัตราของ x ตั้งแต่ 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10. 0.11 และ 0.12 mol ซึ่งจากผลการทดลองพบว่า ณ อัตราส่วน BNT-BZT7 เป็นอัตราส่วนที่คาดว่าน่าจะใกล้เคียงกับบริเวณรอยต่อเฟสของ Morphotropic Phase Boundary (MPB) ซึ่งเป็นบริเวณที่มีค่าคงที่พิโซอิเล็กทริกมีค่าสูงที่สุดเป็น 161 pC/N แสดงค่าไดอิเล็กทริกสูงเป็น 7100 นอกจากนี้ในการศึกษาการเติม TiO2 ลงในระบบ BNT-BZT7 จะพบว่าเฟสแปลกปลอมที่มีส่วนประกอบส่วนใหญ่เป็น TiO2 จะเป็นตัวที่รบกวนสมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกให้มีค่าลดต่ำลง แต่สิ่งได้ติดตามมาก็คือ อุณหภูมิคูรีมีค่าคงที่เมื่อปริมาณ TiO2 มีค่ามากกว่า 1 mol% และในการศึกษาวิจัยถัดมาได้มุ่งเน้นถึงการเตรียมเซรามิกเพื่อนำไปใช้งานได้จริงในระดับอุตสาหกรรม ที่ต้องการผลิตเซรามิกในปริมาณที่มาก และใช้วัตถุดิบที่ราคาถูก โดยได้นำเสนอผลการศึกษาอิทธิพลของการเตรียมเซรามิก BZT โดยถูกเตรียมขึ้นจากสารเคมีที่มีความบริสุทธิ์ไม่สูงมากนัก (technical grade) โดยได้ศึกษาสมบัติเซรามิก Ba(Ti1-xZrx)O3 ที่ทำการเปลี่ยนแปลงค่า x ตั้งแต่ร้อยละ 0.05 0.10 และ 0.15 mol ซึ่งจากผลการทดลองพบว่ามีเฟสแปลกปลอมเกิดขึ้นภายในเนื้อเซรามิก อันส่งผลให้เกิดการลดลงของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก แต่อย่างไรก็ตามเฟสแปลกปลอมนี้ไม่มีผลกระทบต่อการเพิ่มขึ้นของค่าการสูญเสียไดอิเล็กทริกทั้งนี้คาดว่าเนื่องมาจากการแทนที่ของ Zr4+ ณ ตำแหน่งของ Ti4+ อันส่งผลให้ปริมาตรของ domain boundary มีค่าสูงขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่า Y3+ เจือปน มีปริมาณของ oxygen vacancies มากขึ้นส่งผลต่อการยับยั้งการกลับตัวของโดเมนและผนังของโดเมน มีผลทำให้ remnant polarization มีค่าลดลงเมื่อเพิ่มปริมาณของ Zr ขึ้น จากการทดลองนี้พบว่าส่วนผสมของ 0.94(Ba0.5Na0.5)TiO3-0.06Ba(TI0.95Z0.05)O3 มีสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าสนใจ เหมาะที่จะดำเนินการพัฒนาต่อเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่อไป โครงการย่อยที่ 2 ผลของโดเมนขนาดนาโนกับค่าไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุที่ทำจาก oxide ผสมกัน Effects of nano domains on the dielectric properties of mixed oxide capacitors (oxide-BaTiO3) ในการทดลองนี้ได้ทำการศึกษาค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (er) และโครงสร้างทางจุลภาคของ เซรามิกแคลเซียมคอปเปอร์ไททาเนต (CCTO) เจือด้วยธาตุแมงกานิส (Mn) ที่เตรียมด้วยวิธีการบดผสมเชิงกล ซึ่งได้ผลการศึกษา โดยธาตุ แมงกานิส (Mn) จะเข้าแทนตำแหน่งของธาตุไททาเนียม (Ti) ซึ่งส่งผลให้ค่าสภาพสูญเสียทางไฟฟ้า (Dielectric loss) มีค่าลดลงอย่างมากโดยที่ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกซึ่งมีค่าลดลงแต่ยังคงมีค่าสูงมากพอที่จะนำไปใช้งาน โดยชิ้นตัวอย่าง CaCu3Ti3.76Mn0.24O12 ซึ่งมีค่า er สูงกว่า1200 และมีค่าสภาพสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำกว่า 0.06 ที่อุณหภูมิห้อง และเมื่อศึกษาโครงสร้างทางจุลภาคโดยใช้กล้องอิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบว่าเมื่อเพิ่มปริมาณของธาตุแมงกานิสที่เจือส่งผลให้ขนาดอนุภาคของแคลเซียมคอปเปอร์ ไททาเนต และความหนาแน่นของเซรามิกมีขนาดลดลงตามปริมาณการเจืออีกด้วย ซึ่งจากการศึกษาจะเห็นได้ว่า CaCu3Ti4-xMnxO12 ที่ศึกษานี้มีความเป็นไปได้ที่จะนำไปพัฒนาต่อในการผลิตตัวเก็บประจุที่มีค่าสูงได้ นอกจากนี้ยังได้ศึกษาสารประกอบ oxides ผสมกัน โดยเฉพาะ oxides อื่นๆ ผสมกับ BaTiO3 ซึ่ง BaTiO3 มักมีค่าไดอิเล็กทริกสูงมาก แต่อุณหภูมิเผาผนึก (TS) ก็สูงด้วย ในการทดลองนี้ได้หาวิธีการเตรียมโดยลดอุณหภูมิเผาลงเพื่อลดการใช้พลังงาน และการเจือสารต่างๆ เพื่อปรับปรุงค่าทางไฟฟ้า เพื่อนำไปประยุกต์เป็นตัวเก็บประจุต่อไป อนึ่งเนื่องจากสารไร้ตะกั่วมีสมบัติที่ไม่สามารถเปรียบเทียบกับสารที่มีตะกั่วเป็นฐาน แต่เพื่อไม่ให้สิ่งแวดล้อมปนเปื้อนด้วยไอตะกั่ว งานวิจัยนี้จึงใช้สารตะกั่ว (เพียงเล็กน้อย) มาผสมกันกับสารไร้ตะกั่ว หรือทำให้ TS ต่ำลงด้วยวิธีการต่างๆ มาทดลองต่อไป โครงการย่อยที่ 3 สมบัติของสารประกอบ Barium Iron Niobate Behavior of BaFe1/2Nb1/2O3 compounds สารประกอบ Barium Iron Niobate เป็นสารประกอบที่แสดงเป็นทั้ง ferroelectric และ ferromagnetic ทั้ง 2 สมบัติ ทำให้สามารถทำเป็นอุปกรณ์ที่แสดงทั้งแม่เหล็กและไฟฟ้า (multiferroic) จึงได้มีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างเงื่อนไขการเตรียมและสมบัติไดอิเล็กทริกของวัสดุที่มีสารแบเรียมไอรอนไนโอเบตเป็นองค์ประกอบหลัก โดยทำการสังเคราะห์ผงของคิวบิกแบเรียมไอรอนไนโอเบต (บีเอฟเอ็น) ที่มีเฟสเดียวด้วยวิธีปฏิกิริยาสถานะของแข็ง จากผลการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ทำให้สามารถระบุได้ว่าสารผสมออกไซด์ของบีเอฟเอ็นที่ผ่านการ แคลไซน์ ณ อุณหภูมิ 1200 องศาเซลเซียส ตกผลึกเป็นเฟสคิวบิกเพอรอฟสไกด์ที่บริสุทธิ์ หลังจากนั้นจึงทำการผลิตเซรามิกของสารบีเอฟเอ็นจากผงที่ผ่านการแคลไซน์ที่อุณหภูมิ 1200 องศาเซลเซียส นี้ โดยการเผาผนึกที่อุณหภูมิ 1350 ถึง 1400 องศาเซลเซียสเป็นเวลาสี่ชั่วโมงในอากาศ สารตัวอย่างที่ผ่านการเตรียมภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวมีความหนาแน่นสัมพัทธ์สูงถึงร้อยละ 97.4 เมื่อเทียบกับความหนาแน่นทางทฤษฎี ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและค่าการสูญเสียทางไดอิเล็กทริกเทียบกับอุณหภูมิที่ความถี่ต่างๆ แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเมื่ออุณหภูมิการเผาผนึกและความถี่เพิ่มขึ้น ทั้งนี้อาจเนื่องมาจากการบิดเบี้ยวของตำแหน่งประจุบีในโครงสร้างเพอรอฟสไกด์ เนื่องจากการเผาผนึกของสาร บีเอฟเอ็นต้องการใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้วัสดุที่มีความแน่นตัวที่ดี ลิเทียมฟลูออไรด์ได้ถูกเติมไปเพื่อเป็นสารช่วยในการเผาผนึก จากผลการทดลองพบว่าลิเทียมฟลูออไรด์สามารถช่วยลดอุณหภูมิในการเผาผนึกได้ในช่วง 150 ถึง 200 องศาเซลเซียส โดยไม่กระทบต่อการเกิดเฟส บีเอฟเอ็น นอกจากนี้ยังพบว่าเซรามิกที่เติมลิเทียมฟลูออไรด์ในปริมาณร้อยละ 2 ถึง 3 มีความหนาแน่นที่ดีที่สุดโดยมีค่าในช่วงร้อยละ 93 ถึง 94 เทียบกับค่าทางทฤษฎี นอกจากนี้ยังพบว่าการเติมสารลิเทียมฟลูออไรด์ในปริมาณร้อยละ 2 ถึง 3 ไปในสารบีเอฟเอ็นมีผลทำให้ค่าสูญเสียทางไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิห้องของสารตัวอย่างที่มีการเติมสารลิเทียมฟลูออไรด์มีค่าลดลงน้อยกว่า 1.2 ในขณะที่ค่าของสารบีเอฟเอ็นบริสุทธิ์มีค่าเท่ากับ 4.29 นอกจากนี้การนำสาร BFN มาผสมกับกลุ่มอื่น อาจจะนำมาซึ่งสมบัติน่าสนใจมากในสารผสม (composites) โครงการย่อยที่ 4 การสร้างและสมบัติของ Bismuth titanate เจือด้วยธาตุบางชนิด Fabrication and behavior of bismuth titanate doped with some elements ในปัจจุบัน หลายประเทศได้ให้ความสำคัญเกี่ยวกับปัญหาทางด้านสิ่งแวดล้อมจากมลพิษของสารตะกั่ว สารประกอบไร้สารตะกั่วในระบบบิสมัทโซเดียมไทเทเนต และระบบโซเดียมโพแทสเซียมไนโอเบต (Na0.5K0.5NbO3) ที่มีโครงสร้างผลึกแบบเพอร์รอฟสไกต์กำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก และมีความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้เป็นสารทดแทนสารประกอบในกลุ่มของตะกั่ว ซึ่งในงานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมสารประกอบ Na0.5K0.5NbO3 ใน 2 วิธี คือ วิธีมิกออกไซด์แบบดั้งเดิม (conventional mixed oxide method) และวิธีแบบสองขั้นตอน (two-step method) ทำการตรวจสอบเฟสองค์ประกอบของผง และชิ้นงานเซรามิกด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ตรวจสอบลักษณะสัณฐานของผงและเซรามิกด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) นอกจากนั้น ยังได้ดำเนินการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงเฟสของสารประกอบโซเดียมโพแทสเซียมไนโอเบตด้วยเทคนิค DSC หรือ differential scanning calorimetry และทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ และค่าสภาพยอมสัมพัทธ์ของเซรามิกโซเดียมโพแทสเซียมไนโอเบตที่ความถี่ต่างๆ ในงานวิจัยนี้สามารถพัฒนาค่าสัมประสิทธิ์พิโซอิเล็กทริกได้สูงสุดเท่ากับ 112 pC/N ด้วยวิธีแบบสองขั้นตอน ซึ่งด้วยวิธีนี้ยังสามารถพัฒนาสมบัติอื่นๆ อาทิ สมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้าได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังได้ดำเนินการทดลองสารประกอบหลายองค์ประกอบ เช่น Barium Sodium Lanthanum Titanate (BNLT) กับระบบ BNLT+BT (BaTiO3) In this project, the ultra fine powders of compounds have been synthesized. Fabrication of thick and thin films using these powders has been carried out. This project can be divided into 4 subprojects, as follow: Subproject I Piezoelectric of Ba(ZrxTi1-x)O3 compounds In this study, the (1-x)(Bi0.5Na0.5TiO3 – xBa(Ti0.945Zr0.058)O3 solid solution ceramics was prepared where x = 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10. 0.11 and 0.12 mol. It was found that MPB region was obtained at x = 0.07 giving a maximum piezoelectric constant 161 pC/N and a reasonably high permittivity (7100). However, the results of Ti excess into BNT-7BZT powder affects the abnormal grain growths on the ceramics that strongly reduce both dielectric and piezoelectric constants. However, TiO2 addition more than 1 mol% can stabilize the Curie temperature. For practical purposes (large-scale lab and industrial applications), technical grade starting materials would be more economically attractive. For this reason, the study of using technical grade reagents to prepare Ba(Ti1-xZrx)O3 ceramics was carried by focusing on x = 0.05, 0.10 and 0.15 mol. It was found that, the secondary phases occurred and have strongly affected the dielectric constant but have no effect on the dissipation factor. This might be due to the replacement of Zr4+ ions on Ti4+ sites which can increase the volume of domain boundary. Moreover, Y3+ from ZrO2 can enhance the number of oxygen vacancies inhibit the converse movement in both of domain and domain wall. Therefore, the remnant polarization will be decreased with an increase of Zr content. In addition, the 0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06Ba(Ti0.98Zr0.05)O3 compound was found to possess interesting electrical properties, appropriate for further development as electronic parts. Subproject II Effects of nano domains on the dielectric properties of mixed oxide capacitors (oxide-BaTiO3) In this work, we have reported the dielectric properties and microstructure of the Mn doped CaCu3Ti4O12 (CCTO) ceramics. The conventional solid-state reaction was employed. By the partial Mn -for Ti substitution, the dielectric loss was suppressed remarkably while the dielectric constant (er) still remains high. The sample CaCu3Ti3.76Mn0.24O12 exhibits a high er over 1200 and a low dielectric loss below 0.06 at room temperature. Furthermore, the er value of this sample shows rather independent with temperature. SEM micrographs show that the sample is dense ( ≥ 90% of theoretical density) and the grain size of the samples was gradually reduced with increasing x. This CaCu3Ti4-xMnxO12 system is believed to be a promising candidate for capacitor applications. In addition, the mixed oxides compounds/composites especially oxide + BaTiO3 have been studied. BaTiO3 normally yield very high dielectric constant but high sintering temperature (TS) too. Attempt to bring TS down inorder to reduce the consuming energy and adding of some dopants for improving their electrical properties were carried out in addition to employing as capacitors. On the other hand, lead-free compounds properties cannot compare with that of lead-base compounds. Therefore, to reduce the lead-vapor in the atmosphere, work concerned mixing of small amount of lead base compounds with other lead free compounds was also carried out. Subproject III Behavior of BaFe1/2Nb1/2O3 compounds Barium Iron Niobate compounds can show both ferroelectric and ferromagnetic properties. The compounds can be employed as electrical and magnetic component (multiferroic). Study of relationships between preparation conditions and the dielectric properties of Barium Iron Niobate (BaFe0.5Nb0.5O3) based materials have been carried out. Single-phase cubic Ba(Fe,Nb)0.5O3 (BFN) powder was synthesized by solid-state reaction. X-ray diffraction results indicated that the BFN oxide mixture calcined at 1200C, crystallizes to the pure cubic perovskite phase. BFN ceramics were produced from this powder by sintering at 1350-1400C for 4 hour in air. Samples prepared under these conditions achieved up to 97.4% of the theoretical density. The temperature dependence of their dielectric constant and loss tangent, measured at difference frequencies, shows an increase in the dielectric constant with sintering temperature and measurement frequency which is probably due to disorder on the B site ion of the perovskite. Sintering of BFN requires the use of high temperatures to achieve satisfactory densification of this material. The LiF was added as a sintering agent. The results show that LiF lowers the sintering temperature by 150 - 200C without affecting the formation of BFN. Ceramics doped with 2 - 3% LiF show optimum densities of about 93 - 94% of the theoretical value when sintered at low temperatures (1000 - 1100C). Furthermore, the addition of 2-3% LiF to BFN causes a reduction of the dielectric loss from 4.29 in undoped BFN to less than 1.2 for LiF-containing samples, at room temperature. Beside mixing of BFN compounds with others would bring very interesting properties in the composites. Subproject IV: Fabrication and behavior of bismuth titanate doped with some elements Nowadays, the environmental concern of lead oxide, vaporizing from the processing of lead-based piezoelectric materials is of vitally important in many countries. Sodium potassium niobate (Na0.5K0.5)NbO3 (NKN), is considered to be a good candidate for lead-free piezoelectric ceramics with perovskite structure. In this work, NKN ceramics were prepared by two methods which are conventional mixed oxide method and two-step method. X-ray diffraction (XRD) technique was utilized for phase observation of calcined powder and sintered bodies. The phase transition of NKN sintered-powders were determined by differential scanning calorimetry (DSC). The temperature dependences of relative permittivity of the NKN ceramics were observed in various frequencies. The piezoelectric properties of the selected NKN ceramics were observed. The maximum piezoelectric coefficient (d33) of 112 pC/N was successfully achieved via the two-step method in which other properties such as physical and electrical properties were also improved. Moreover, attempt was carried out for mixing of BNT with others such as barium sodium lanthanum titanate (BNLT) and BNLT+BT (BaTiO3) … etc. systems.