$(1-x)Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3-xPbTiO_3$ 고용계에서 MPB의 열역학적 모델링과 상전이 거동에 대한 분석

Abstract

$(1-x)Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3-xPbTiO_3$ (이하 (1-x)PYN-xPT) 고용계에서 Morphotropic Phase Boundary (이하 MPB)에서의 세라믹스들은 유전상수가 크고 압전성 등의 특성이 우수하다고 보고되어 왔으며 이런 이유로 많은 사람들의 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 대표적인 antiferroelectric인 $Pb(Yb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ (이하 PYN)와 ferroelectric 물질로 알려져 있는 $PbTiO_3$ (이하 PT)를 전통적인 고상합성법으로 합성하였다. PYN에 PT를 고용시킨 (1-x)PYN-xPT 고용계에서 MPB의 구조적인 변화, 유전적인 특성, 밀도, 상전이 경향을 관찰하기 위해서 PT의 조성을 $0.44 \leqq x \leqq 0.56$ 로 변화시키며 X-ray diffraction, permittivity and E-P hysteresis등의 실험을 수행하였다. 또한 기존의 알려져 있는 (1-x)PYN-xPT의 완전한 상태도를 구현하기 위해서 PT의 조성을 0.30?x?0.90으로 변화시키며 동일한 실험을 수행하였다. XRD측정의 경우 PT의 치환량을 변화시키며 소결할 경우 구조의 변화가 관찰되었다. PT의 치환량이 $0.30 \leqq x \leqq 0.44$ 의 경우 pseudocubic의 상으로 존재하였으며 $0.54 \leqq x \leqq 0.90$ 의 PT 치환량에서는 tetragonal로 존재하는 것을 관찰할 수 있었다. MPB 영역이라고 생각되는 $0.46 \leqq x \leqq 0.52$ 의 경우에서는 pseudocubic과 tetragonal상이 공존하는 것을 확인 할 수 있었다. 유전상수 실험에서는 PT의 치환량이 증가할수록 겉보기 상전이 온도는 증가했다. $0.30 \leqq x \leqq 0.46$ 의 범위에서는 PT의 치환량이 증가할수록 Maximum 유전상수의 값은 증가했으며 x=0.46에서는 가장 높은 유전상수 값을 나타내었다. 이후 PT의 치환량을 변화시킨 $0.48 \leqq x \leqq 0.90$ 의 구간에서는 PT의 치환량이 증가함에 따라 유전상수의 값은 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. Binary system인 (1-x)PYN-xPT에서 secondary dull peaks은 x=0.44, 0.46, 0.48의 조성에서 상전이 온도가 일어나기 이전에 발견 되었다. 전기이력곡선 측정의 경우, x=0.46의 조성에서 maximum remanent polarization $(P_r=36.8 μC/cm^2)$ 값과 minimum coercive field $(E_c=8.5 kV/cm)$ 값이 관찰되었다. 이러한 실험을 바탕으로 얻은 data를 바탕으로 온도와 PT의 치환량으로 표현된 (1-x)PYN-xPT의 상태도와 MPB영역에서의 상태도를 표현하며 PYN에 PT가 치환될 경우의 현상을 설명한다. 마지막으로 MPB에서의 상공존 현상은 spontaneous polarization parameter의 polynomial로 표현된 Landau-Devonshire equation으로 계산을 할 수 있다. 4차항과 6차항의 order parameter들은 자발분극과 온도와의 fitting에 의해 확인할 수 있다. 또한 Landau-Devonshire equation으로 (1-x)PYN-xPT의 MPB의 범위를 규정할 수 있으며 (1-x)PYN-xPT의 상태도에서 MPB line의 기울어지는 현상을 Landau-Devonshire equation을 이용한 열역학적인 관점에서 설명하였다. 본 연구의 마지막 부분에서는 실험으로 구현하고 Landau-Devonshire free energy equation으로부터 계산한 (1-x)PYN-xPT의 상태도를 비교하였다.