 |
Исследование поверхности пьезокерамики ЦТС-19 с помощью сканирующей атомно-силовой микроскопии
|
|
|
|
| Краевский Сергей Владимирович ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60 115409, Москва, Каширское шоссе, 31 тел. (095) 323-42-14, (095) 234-17-93 эл. почта: skraevsky@mail.ru | 
|
Аннотация
Изучена структура поверхности пьезокерамики методом сканирующей атомно-силовой микроскопии. Получены двух- и трехмерные кадры керамики с разрешением до 8 нм. Показано, что предоставленный образец пьезокерамики ЦТС-19 в основном состоит из нанозерен с формой, приближённой к округлой. Размеры зерен пьезокерамики варьируются в интервале от 150 нм до 1 мкм. Кроме того, обнаружены редкие фазы выступающих тетрагональных кристаллитов размером 0.5 мкм.
Постановка задачи
В современной науке широко изучаются пьезоэлектрики - вещества, в которых при определенный упругих деформациях возникает электрическая поляризация, т.н. прямой пьезоэффект. Кроме прямого пьезоэффекта, пьезоэлектрики обладают и обратным пьезоэффектом – появлением механических деформаций под действием электрического поля. И прямой, и обратный пьезоэффекты находят широкое применение в технике.
В НИФХИ имени Карпова было замечено, что чувствительность пьезоприводов, а также уровень диэлектрических потерь зависят не только от качественного и количественного состава пьезоэлектрика, но и от размеров зерен из которых состоит керамика [1]. Пьезосвойства улучшаются при уменьшении размеров зёрен до нано-размеров. Таким образом, в качестве одной из первоочередных задач в вышеупомянутом институте, стоит разработка технологий изготовления и обработки нанопорошковых пьезокерамических составов.
В данной работе исследовался гранулометрический и фазовый состав пьезокерамики ЦТС-19, полученная при использовании одного из вариантов технологии. Пьезоматериал ЦТС – это широко используемый при изготовлении пьезоприводов состав на основе циркония и титана системы PbTiO3 – PbZrO3 [2]. Необходимо было оценить форму и размеры зерен при использовании данной технологии изготовления нанопорошка.
|
|
|
Экспериментальная часть
Исходя из того, что проверка образца тестером (модель М-830BZ) на электропроводность показала чрезвычайно высокое электрическое сопротивление образца, более 2 МОм – предела тестера, т.е. показала отсутствие электропроводности, а так же из того, что размер интересуемых нас зерен по первоначальным данным был порядка сотен нанометров, в качестве режима наблюдения был выбран атомно-силовой режим.
Поверхность образца является твёрдым телом, что подтвердилось по экспериментам с царапаньем керамики под оптическим микроскопом. Это позволяет использовать контактную моду АСМ, имеющую наибольшее разрешение, достигающее 0.1 Ангстрема по латерали. Использовался российский мульти-микроскоп СММ-2000 (изготовитель ОАО«Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград), имеющий СТМ режим и режим контактной АСМ-моды.
Выбор АСМ - режима определил методику подготовки образца. Образец размером 5х5 мм х мм был просто приклеен на двухсторонний скотч на держатель образца.
Сканирование производилось мягкими кантилеверами для контактной моды марки MSCT фирмы Veeco,USA, наиболее длинной консолью самой малой жёсткости, с условным нажимом в 20 единиц (градусов отгиба кантилевера) со скоростью сканирования около 4 мкм / сек и количеством усреднений в точке – 16, что дало приемлемые результаты при достаточно высокой скорости сканирования.
Предварительные пробные сканы малого размера (порядка нескольких квадратных микрометров) показали, что на рядом стоящих участках образца присутствуют как объекты в виде зерен размера от 100 нм до 700 нм, так и отдельные кристаллиты размерами порядка 400-700 нм. В дальнейшем размер кадра выбирался исходя из тех соображений, чтобы в кадре помещалось не менее 10 объектов в виде зерен, что необходимо для последующего вычисления статистики распределения нанозерен по размеру. Размеры сканов были установлены как 2.578 х 2.578 мкм х мкм с разрешением до 8 нм.
|
|
|
Результаты и обсуждение
Характерные первичные кадры различных областей керамики представлены на рис. 1 и рис. 2. На рис. 2 видна интересующая нас зернистая структура; на рис. 1 отчетливо видны кристаллиты другой фазы. На кадрах имеются горизонтальные помехи, что говорит о присутствии на поверхности керамики нехорошо закреплённых наночастиц, таскаемых зондом [3]. Эти горизонтальные помехи будут мешать дальнейшему анализу кадров, поэтому они были вычищены медианной фильтрацией фильтром 1х5 для кадра 1 и 7х7 для кадра 2, после чего кадры приняли вид, представленный на рис.3. и рис. 4 соответственно. Медианная фильтрация 7х7 негативно сказалась на четкости кадра 2, однако позволила в дальнейшем провести морфологический анализ поверхности. Анализ Фурье-образа кадра 1 (рис.5) показал отсутствие каких-либо выделенных максимумов, что говорит как об отсутствии какого-либо порядка в расположении объектов - наночастиц, так и об отсутствии на кадре регулярных помех от различного рода вибраций. Из-за отсутствия других помех Фурье-фильтрация, а также другие типы фильтраций не производились.
Представление кадров в трёхмерном виде (рис. 6 и рис. 7) контрастно визуализировало структуру частиц, сделав скан одинаковым по восприятию со сканами с электронных микроскопов для сравнения. Абсолютная гладкость правой нижней области кадра 2 обусловлена сильной развитостью поверхности – в этом месте уход поверхности вниз был больше диапазона подвода иглы сканером.
Результаты вывода профилей частиц, наблюдаемых на кадрах согласуются с предварительными. Размер зрительно наиболее часто встречающихся частиц (рис. 10) составляет около 250 нм при их высоте выделения из массива других частиц около 160 нм. Т.к. высота выделения в большинстве случаев имеет размер в две третьи меньше радиуса частиц, можно сделать вывод о том, что частицы описанного размера круглые.
|
|
|
Напротив, размеры одной из больших частиц кадра 1 (рис. 8) составляет около 200 нм при высоте 620 нм, что вместе с наличием четких граней говорит о кристаллической структуре.
Результат морфологического анализа кадра 2 представлен на рис. 11. Видно, что основная масса исследуемых зерен размеров порядка нескольких сотен нанометров, что хорошо согласуется с первоначальными данными. Максимумы количества частиц приходятся на частицы размером 0.3 мкм и 0.5 мкм. Кроме того, имеется отдельный видимый на графике хвост в области размеров частиц от 800 до 1 300 нм, а также видимый хвост частиц размером меньше 130 нм.
Выводы
Показано, что предоставленный образец пьезокерамики ЦТС-19 в основном состоит из нанозерен с формой, приближённой к округлой. Размеры зерен пьезокерамики варьируются в интервале от 150 нм до 1 мкм. Кроме того, обнаружены редкие фазы выступающих тетрагональных кристаллитов размером 0.5 мкм.
Список литературы
1. Главатских Т.Ю., Венсковский Н.У., Александровский В.В., Голубко Н.В., Аветисов А.К., Калева Г.М., Мосунов А.В., Политова Е.Д., Стефанович С.Ю.. Получение и свойства кислород-селективной керамики со смешанной электронно-ионной проводимостью на основе галлата-феррита лантана // Неорганические материалы. 2003. Т.39. №7. С. 892-896.
2. Физическая энциклопедия, том 4, гл. ред. Прохоров А. М. Москва-1988.
3. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.
|
| Рис.1. Первичный кадр 1 |
|
| Рис.2. Первичный кадр 2 |
|
| Рис.3. Кадр 1 после обработки медианной фильтрацией 1х5 |
|
| Рис.4. Кадр 2 после обработки медианной фильтрацией 7х7 |
| |
| Рис.5. Фурье-образ кадра 1 | |
| |
| Рис.6. Трёхмерный вид кадра 1 |
|
| Рис.7. Трёхмерный вид кадра 2 |
|
| Рис.8. Профиль сечения кристаллитов, обнаруженных на кадре 1 |
|
| Рис.9. Профиль сечения кристаллитов обнаруженный на кадре 1 |
|
| Рис.10. Профиль сечения типичной частицы на кадре 2 |
|
| Рис.11. Морфологический анализ кадра 2 – графики распределений объектов по диаметрам |
|
| Рис.12. Морфологический анализ кадра 2 |
|
|
|
|
|
|
