Wpływ temperatury i pola elektrycznego na właściwości monokrystalicznego tytanianu sodowo-bizmutowego $Na_{0,5}Bi_{0,5}TiO^3$
Oglądaj/ Otwórz
Autor:
Nowakowska-Malczyk, Michalina
Promotor:
Kruk, Andrzej
Kluczewska-Chmielarz, Kamila
Język: pl
Słowa kluczowe:
monokryształ $Na_{0,5}Bi_{0,5}TiO_3$struktura krystalograficzna
przemiany fazowe
przewodnictwo elektryczne
właściwości ferroelektryczne
single crystal $Na_{0,5}Bi_{0,5}TiO_3$
crystallographic structure
phase transitions
electrical conductivity
ferroelectric properties
Data: 2026-06-18
Metadata
Pokaż pełny rekordOpis:
Uniwersytet Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie. Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych. Praca doktorska napisana pod kierunkiem: - promotor: dr hab. Andrzej Kruk, promotor pomocniczy: dr Kamila Kluczewska-Chmielarz, prof. UKEN.Streszczenie
Na przestrzeni ostatnich dwóch dekad jesteśmy świadkami rewolucji naukowo-technicznej, polegającej na
miniaturyzacji oraz wielofunkcyjności wielu urządzeń technicznych, której dzieckiem jest m.in. sztuczna
inteligencja, medycyna spersonalizowana, kryptografia kwantowa. Osiągnięcia te nie byłyby możliwe między innymi,
bez prowadzonych od przeszło stu lat badań nad ferroelektrykami. Aby zbadać właściwości materiału, należy poznać
jego odpowiedź na działanie różnych zewnętrznych czynników, takich jak temperatura, ciśnienie, naprężenia
mechaniczne, pole elektryczne, pole magnetyczne i promieniowanie elektromagnetyczne. Celem niniejszej pracy jest
zbadanie wpływu temperatury oraz pola elektrycznego na właściwości monokrystalicznego tytanianu sodowo-bizmutowego
$Na_{0,5}Bi_{0,5}TiO_3$ (NBT) oraz dostarczenie nowych informacji na temat stabilności faz krystalograficznych w
poszczególnych zakresach temperaturowych. Jednocześnie przeprowadzono badania mające wskazać przyczyny jego
stosunkowo wysokiego przewodnictwa elektrycznego.
Do realizacji tego zadania wykonano szereg różnorodnych, a zarazem komplementarnych i precyzyjnych pomiarów
eksperymentalnych. Pozwoliły one stworzyć pełen obraz właściwości fizykochemicznych kryształu $Na_{0,5}Bi_{0,5}
TiO_3$ wyhodowanego metodą Czochralskiego. Monokryształ w porównaniu z ceramiką spiekaną wykazuje mniejszą ilość
defektów strukturalnych, jednorodność chemiczną przez co staje się wzorcem do analizy materiału doświadczalnego.
Przeprowadzone badania ukierunkowane były na wyjaśnienie istniejących niejednoznaczności w piśmiennictwie naukowym
dotyczących stabilności termicznej faz krystalograficznych oraz przyczyn wysokiego przewodnictwa elektrycznego.
Ważnym aspektem badawczym jest analiza o ewolucji właściwości NBT zachodzących pod wpływem temperatury. Temperatura
ma istotny wpływ na właściwości materiału, w szczególności elektryczne, mechaniczne i optyczne. Innym czynnikiem
determinującym zachowanie NBT jest duża wrażliwość na zewnętrzne pole elektryczne, co czyni go ważnym dla
nowoczesnych technologii w elektronice i optoelektronice. Praca składa się z trzech części: przeglądu
literaturowego zawierającego wybrane elementy obecnego stanu wiedzy na temat ferroelektryków i NBT, części
eksperymentalnej oraz podsumowania i wniosków.
W pierwszej części pracy zostały przedstawione dane literaturowe dotyczące badań właściwości materiałów
ferroelektrycznych. Uwzględniono w niej również historię badań, technologię otrzymywania monokryształów, strukturę
krystaliczną oraz przemiany fazowe NBT.
W drugiej części pracy zaprezentowane zastały warunki przygotowania próbek do badań, w tym proces polaryzacji i
wygrzewania. W badaniach wykorzystano próbki o wybranych kierunkach krystalograficznych (001) i (111). Badania
przeprowadzono na próbkach niewygrzewanych i wygrzewanych w powietrzu przez jedną godzinę w temperaturze 630°C i
830°C. Do wybranych badań próbki spolaryzowano. W kolejnym kroku opisana została metodyka badań oraz wykorzystane
urządzenia pomiarowe. Następnie zaprezentowano wyniki prac eksperymentalnych oraz ich analizę. Studium
eksperymentalne obejmuje właściwości strukturalne, kalorymetryczne, dielektryczne, przewodnictwa stałoprądowego i
zmiennoprądowego, optyczne, termoelektryczne, ferroelektryczne i mechaniczne. W większości przypadków wymienione
badania zostały wykonane w funkcji temperatury, a wybrane także w funkcji częstotliwości (np. dielektryczne,
elektryczne i mechaniczne).
Badania te pozwoliły ustalić m.in.: - wpływ procesu przygotowania próbek do pomiaru, czyli ich wygrzewania oraz
polaryzowania dla badanych właściwości,
- wpływ temperatury na właściwości strukturalne, termoelektryczne, ferroelektryczne i mechaniczne,
-.wpływ pola elektrycznego na właściwości dielektryczne, przewodnictwo elektryczne oraz właściwości
ferroelektryczne.
Znaczną uwagę poświęcono badaniom wpływu pola elektrycznego i temperatury na transport nośników ładunku
elektrycznego w NBT. W tym celu wykonano badania charakterystyk prądowo-napięciowych, prądów depolaryzacji,
przewodnictwa stałoprądowego i zmiennoprądowego oraz współczynnika Seebeck`a. Badania te uzupełniono analizą
impedancji Z oraz modułu elektrycznego M.
W ferroelektrykach, badanie kolejności i charakteru przewodnictwa elektrycznego jest niezwykle ważne, ponieważ
wpływa ono na inne właściwości, takie jak piezoelektryczność, piroelektryczność i na warunki polaryzacji tych
materiałów. Ponadto zjawisko transportu nośników ładunków elektrycznych w NBT było rzadko badane.
Część eksperymentalną kończą badania właściwości mechanicznych, przeprowadzone po
raz pierwszy dla monokrystalicznego NBT.
Trzecia część pracy zawiera podsumowanie efektów przeprowadzonych badań oraz wynikające z nich wnioski. Over the past two decades, we have witnessed a scientific and technological revolution characterized by the
miniaturization and multifunctionality of many technical devices. Key innovations include artificial intelligence,
personalized medicine, and quantum cryptography. These advancements have been made possible, in part, by over a
century of research on ferroelectrics. To understand the properties of a material, it is crucial to examine its
response to various external factors such as temperature, pressure, mechanical stress, electric fields, magnetic
fields, and electromagnetic radiation.
The aim of this Ph.D dissertation is to investigate the influence of temperature and electric field on the
properties of sodium-bismuth titanate $Na_{0,5}Bi_{0,5}TiO_3$ (NBT) and to provide new information on the stability
of crystallographic phases in specific temperature ranges. Studies were also conducted to identify the reasons for
its relatively high electrical conductivity. A variety of complementary and precise experimental techniques were
employed to achieve this goal, providing a comprehensive picture of the physicochemical properties of the crystal.
The research aims to address existing ambiguities in the scientific literature concerning the thermal stability of
crystallographic phases and the causes of high electrical conductivity in NBT. A significant aspect of the study is
the analysis of NBT's behavior under temperature variations, as this significantly influences its electrical,
mechanical, and optical properties. Additionally, the high sensitivity of NBT to electric fields plays a critical
role, making this material essential for modern technologies in electronics and optoelectronics. The paper is
divided into three parts: a literature review outlining the current state of knowledge on ferroelectrics and NBT,
an experimental section, and a summary with conclusions. In the first section, we present literature data on the
properties of ferroelectric materials, including the history of research, single crystal technology, crystal
structure, and NBT phase transitions.
The second section details the preparation of samples for study, including the processes of polarization and
annealing. Samples were prepared along selected crystallographic directions (001) and (111) and were tested both
before and after being annealed in air at temperatures of 630°C and 830°C for one hour. Some samples were also
polarized for specific tests.
A description of the measurement devices and methodologies precedes the presentation of experimental results and
their analysis. The experiments included studies of structural, calorimetric, dielectric, DC and AC conductivity,
optical, thermoelectric, ferroelectric, and mechanical properties. Most tests were performed as a function of
temperature, and some, such as dielectric, electrical, and mechanical tests, were also carried out as a function of
frequency.
The research on monocrystalline sodium-bismuth titanate led to several key findings, including:
The effect of the sample preparation process—specifically heating and polarization—on the tested properties.
The direct influence of temperature on structural, thermoelectric, ferroelectric, and mechanical properties.
The impact of electric fields on dielectric properties, electrical conductivity, and ferroelectric behavior.
Considerable attention was given to the study of how electric fields and temperature affect the transport of
electric charge carriers in NBT. To this end, we examined current-voltage characteristics, depolarization currents,
DC and AC conductivity, and the Seebeck coefficient. The research was further complemented by an analysis of the
impedance (Z) and electrical modulus (M). In ferroelectrics, understanding the nature and order of electrical
conductivity is crucial, as it affects other related properties such as piezoelectricity, pyroelectricity, and
polarization conditions. Moreover, the phenomenon of electric charge carrier transport in NBT is rarely explored.
The experimental section concludes with the results of the SHG method and mechanical properties tests conducted on
NBT for the first time.
The third section of the paper provides a summary of the experimental findings and the conclusions drawn from them.