Dielectric Polarization and Electrical Conductivity of Li- and Ta-substituted Lead-free (Na 0.53 K 0.47 )NbO 3 Pizoelectric Ceramics

Dielectric Polarization and Electrical Conductivity of Li- and Ta-substituted Lead-free (Na _0.53 K _0.47 )NbO ₃ Pizoelectric Ceramics

J. S. Kim ^∗ · M. H. Kim

School of Advanced Materials Engineering, Changwon National University, Changwon 641-773, Korea

T. G. Park · J. Park

Department of Electronic & Mechanical Engineering, Changwon National University, Changwon 641-773, Korea

Su Tae Chung

Department of Electronic Engineering, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea (Received 30 April 2014 : revised 8 July 2014 : accepted 16 July 2014)

To investigate the piezoelectric, dielectric and electrical properties of (Na

0.5

K

0.5

)NbO

3

(NKN) ceramics, we prepared Li- and Ta-substituted (Na

0.53

K

0.47

)

0.96

Li

0.04

(Nb

1−x

Ta

x

)O

3

(NKLNT, x

= 0.0, 0.13, 0.15, 0.17, 0.19, 0.21) ceramics. The crystalline phase and the grain morphology were investigated by X-ray diffraction and scanning electron microscopy, respectively. The phase transition temperature, T

O−T

(orthorhombic-tetragonal transition) of the NKLNT ceramics with x = 0.21 was 30

^◦

C. On the other hand, the piezoelectric properties of the NKLNT ceramics were enhanced. Especially, a high piezoelectric coefficient d

33

= 230 pC/N was obtained at x = 0.19 - 0.21. Furthermore, we investigated the dielectric polarization and the electrical conductivity related to the dipoles and the charge carriers over wide frequency (0.1 Hz - 1 MHz) and temperature (30 - 600

^◦

C) ranges.

PACS numbers: 77.22.-d, 77.84.Dy, 77.84.-s

Keywords: (Na

0.5

K

0.5

)NbO

3

, NKN, Lead-free, Dielectric, Piezoelectric, Phase transition, Ta ion addition

Li õ m Í TaT  V ò & ÿc Ü R “ ¤Ž ì Å Na 0.53 K _0.47 NbO ₃ °  q ¹ Å : g à k Ä­ Ž8 ý – ¥ ¹ Å Ä Z ، £ ; õ m Í  ¹ ÅM 

 ¹

Åy ¢ — ¤V R Ë



™ » . > ¬ £ ^∗ ·  ™ »' å ‡ Ú

‚

½ Ó" é ¶ @ /† < Ɠ § ’  ™ èF  / B N † < Æ Ò, ‚ ½ Ó" é ¶ 641-773

ƒ

‘

š? # Þ · ƒ ‘ š ø ¶ B¦ 

‚

½ Ó" é ¶ @ /† < Ɠ § „  l ·l >  / B N † < Æ Ò, ‚ ½ Ó" é ¶ 641-773

+ ä

¬ £? 

Â

Ò â @ /† < Ɠ § „   / B N † < Æõ ,  Òí ß – 608-737

(2014¸   4 Z 4 30{ 9  ~ à Î6 £ §, 2014¸   7 Z 4 8{ 9  à º& ñ ‘ : r ~ à Î6 £ §, 2014¸   7 Z 4 16{ 9  > F  S X ‰& ñ )

Á

ºƒ   (Na

0.53

K

0.47

)

0.96

Li

0.04

(Nb

1−x

Ta

x

)O

3

(x = 0.0, 0.13, 0.15, 0.17, 0.19, 0.21) · ú š„  [ j b ” Û ¼\  ¦ 771

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any

medium, provided the original work is properly cited.

y

© œÄ »„  ^ ‰  H y © œÄ »„  B j— ¸o \  ¦ q 2 Ÿ © # Œ " l oÆ Ó\ s ' ü < · ú š

„

 ™ èF – Ð F  g# 3 0 A >   Ö ¸6   x ÷ &“ ¦ e ”   [1]. Õ ª Q
 PZT\ 

Ÿ

í† < ʝ ) a ± ú š (Pb) $ í ì  r“ É r “  ^ ‰\  u " î & h “   ×  æ1 l q x 9  ¨ 8 Š ⠚ ¸

% i

`  ¦ Ä »µ 1 Ï # Œ Ä »X O `  ¦ q 2 Ÿ © ô  Ç ‚  ”  ² D G“ É r ± ú š x 9  ×  æF K5 Å q s 

Ÿ

í† < ʝ ) a „   F « Ñ x 9  ] j¾ ¡ § _  à ºØ  ¦ x 9  à º{ 9 `  ¦ ] jô  Ç “ ¦ e ” 



.   " f ± ú š x 9  ×  æF K5 Å q s  Ÿ í† < ʝ ) a ™ èF \  ¦ @ /^ ‰½ + É l 0 p x$ í

’

 ™ èF  > hµ 1 Ïs  € 9 כ ¹   [2]. (Na 0.5 K _0.5 )NbO ₃ (NKN)  H PZT\  ¦ @ /^ ‰½ + É Ã º e ”   H Á ºƒ   · ú š„   [ j b ” Û ¼ ×  æ 
s  9, y © œÄ »„   x 9  · ú š„  : £ ¤$ í 1 p x _  l œ í: £ ¤$ í † ¾ Ó © œ“ É r z  ´] j 6 £ x6   x

\

 B Ä º ×  æ כ ¹   [3–16].

(Na 0.5 K 0.5 )NbO 3 “ É r  ~ ½ Ó& ñ >  (orthorhombic)_  ` …– Ð Ú

Ô Û ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ t  9 Z  }“ É r  © œ„  s  “ : r • ¸ (T C = 420 ^◦ C), ± ú “ É r † ½ ӄ  >  (E ^C = 5 kV/cm), Õ ªo “ ¦ Z  }“ É r ï ß – À

Óì  rF G (P r = 30 µC/cm ² )`  ¦ t   H  כ Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ” 



. Õ ª Q
 " é ¶ « Ñ Ó ü t| 9 “   Na ₂ CO ₃ ü < K 2 CO ₃   H f  ¨_ þ v$ í s  ß

¼“ ¦, ™ è   ×  æ 6 fµ 1 Ï: £ ¤$ í s  y © œ  .   " f Z  }“ É r x 9 • ¸ü <

†

< Êa  î ß –& ñ & h “   › ¸$ í $ í ì  r`  ¦ ° ú   H [ j b ” Û ¼_  ] j› ¸ B  Ä

º # Q§ >   [3,5,7,8]. l ‘ : r NKN [ j b ” Û ¼_  · ú š„   © œÃ º  H 80 ∼ 100 pC/N Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ” Ü ¼ 9, s  ° ú כ“ É r PZT >  · ú š

„

 [ j b ” Û ¼_  400 pC/N & ñ • ¸\  q K  ± ú “ É r ° ú כs  .

s

“ : r _  u  ¨ 8 Š \     NKN › ¸$ í “ É r orthorhombic- tetragonal  © œ„  s  “ : r • ¸ (T O−T )  ß ¼>       H poly- morphic phase transition (PPT): £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs  9 [3–6], s  :

£ ¤$ í “ É r PZT >  › ¸$ í \ " f
 
  H  © œ/ B N” > r % ò % i  (mor- photropic phase boundary, MPB) õ  Ä »    [1].  



" f s  PPT : £ ¤$ í `  ¦ › ¸] X  €   · ú š„  : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó © œr ~  ´ à º e ”

  [3–6, 8–10, 13, 14]. A  o \  Li ⁺ , B  o \  Ta ⁵⁺ , Sb ⁵⁺ 1 p x`  ¦ u  ¨ 8 Š €  , s  PPT : £ ¤$ í `  ¦ ] j# Q½ + É Ã º e ” Ü ¼ 9, s

\  ¦ : Ÿ x K  · ú š„  : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó © œ r ~  ´ à º e ”   [4–14]. s p  % 7 › e

 ¦ Y Us à Ô\  ¦ s 6   x ô  Ç Ä º‚   C † ¾ Ó $ í  © œ`  ¦ : Ÿ x K  PZT\  ! QF K

  H · ú š„  : £ ¤$ í s  Ä ºÃ ºô  Ç NKN [ j b ” Û ¼\  ¦ ] j› ¸½ + É Ã º e ” 

>

 ÷ &% 3   [7].

∗

E-mail: [email protected]



b ” Û ¼\  ¦ “ ¦ © œì ø Í6 £ xZ O Ü ¼– Ð ] j› ¸ % i “ ¦, · ú š„  : £ ¤$ í `  ¦ ¨ î 

l  0 AK  · ú š„   © œÃ º d ³³ \  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  . ¢ ¸ · ú š„  : £ ¤$ í s  † ¾ Ó



© œ  ) a · ú š„  [ j b ” Û ¼\  ¦ ‚  × þ ˜ # Œ V , “ É r # 3 0 A_  Å Ò à º (0.1 Hz ∼ 1 MHz) ü < “ : r • ¸ (30 ∼ 600 ^◦ C) \ " f Ä »„   © œÃ º x 9  „   l

 „  • ¸• ¸`  ¦ 8 £ ¤& ñ % i “ ¦, u  ¨ 8 Š \    É r Ä »„  ì  rF G x 9  „  l 

„

 • ¸ : £ ¤$ í `  ¦ ƒ  ½ ¨ % i  .

II. ÷ m Ç ] M ö

Ø

 ¦ µ 1 Ï " é ¶ « і Ð Na ² CO 3 (Aldrich 99.95%), K 2 CO 3 , (Aldrich 99.995%), Li ₂ CO ₃ (Aldrich 99.99%), Nb ₂ O ₅ (Aldrich 99.9%), Ta 2 O 5 (Aldrich 99.99%)\  ¦  6   x

# Œ “ ¦ © œ ì ø Í6 £ xZ O  (Solid-State Reaction Method)Ü ¼

–

Ð (Na 0.53 K _0.47 ) _0.96 Li _0.04 (Nb _1−x Ta _x )O ₃ (NKLNT) [ j  b ”

Û ¼\  ¦ ] j› ¸ % i  . r ¼ # _  › ¸$ í “ É r x = 0.0, 0.13, 0.15, 0.17, 0.19, 0.21 g A| ¾ Ó % i Ü ¼ 9, y Œ •y Œ • › ¸$ í \     NKLNT0∼21 – Ð s 2 £ §`  ¦ · ¡ ­% i  . ™ D ¥ ½ + ˝ ) a ì  r ´ ú ˜`  ¦ 90 ^◦ C _ 

š

¸‘ É r \ " f | › ¸ô  Ç Ê ê 750 ^◦ C \ " f 5r ç ß – 1 l x î ß – 1  ™ è\  ¦

% i “ ¦ 850 ^◦ C \ " f 5r ç ß – 1 l x î ß – 2  ™ è\  ¦ % i  . 150 MPa _  · ú š§ 4 `  ¦ K  f ”  â s  10 mm, ¿ ºa  ∼1 mm“  

"

é

¶ ó ø Í + þ AI _  r ¼ # `  ¦ ] j› ¸ % i  . ™ è   “ : r • ¸  H Ta › ¸$ í \ 



 É r Ö 6 x& h `  ¦ “ ¦ 9 # Œ \ P ì  r$ 3  (TG-DTA)`  ¦ % i “ ¦, Õ ª

 

õ \  ¦ ‚ à Г ¦ # Œ x = 0.13 ∼ 0.21 › ¸$ í _  NKLNT13 ∼ 21 [ j b ” Û ¼\  ¦ 1130 ^◦ C \ " f 4r ç ß – 1 l x î ß – ™ è   “ ¦, s ü <

†

< Êa  (Na ^0.53 K 0.47 )NbO 3 l ‘ : r › ¸$ í _  NKN [ j b ” Û ¼\  ¦ 1080 ^◦ C \ " f ™ è   # Œ ] j› ¸ % i  .



Ø Ôv B jX <Û ¼ (Archimedes) " é ¶ o – Ð ™ è   ) a [ j b ”  Û

¼_  x 9 • ¸\  ¦ > í ß – % i “ ¦, X-‚    r] X  © œu  (MiniflexII, Rigaku) ü < Å Ò ‰ & ³p  â (SEM, Scanning Electron Micro- scope, Jeol, JMS-5610)`  ¦  6   x # Œ ½ ¨› ¸ì  r$ 3 õ  ³ ð€   p  [

j½ ¨› ¸\  ¦ S X ‰ “   % i  . · ú š„   x 9  Ä »„  : £ ¤$ í `  ¦ ¨ î  l  0 A K

 ™ è   ) a [ j b ” Û ¼\  ¦ 0.5 mm _  ¿ ºa – Ð ƒ    % i “ ¦, r 

¼

# _  € ª œ ³ ð€  \  “ É r (Ag) „  F G`  ¦ • ¸Ÿ í # Œ 650 ^◦ C \ " f 30

Fig. 1. (Color online) Variations of the piezo- electric properties, d 33 , as a function of Ta in (Na 0.53 K 0.47 ) 0.96 Li 0.04 (Nb 1−x Ta x )O 3 (NKLNT) ceram- ics.

ì

 r ç ß – \ P % ƒo  % i  . · ú š„  : £ ¤$ í `  ¦ ¨ î  l  0 AK  [ j b ”  Û

¼\  ¦ 120 ^◦ C _  z  ´o – B H š ¸{ 9  (silicone oil)\  V , # Q 30 ì  r ç

ß – 4 kV/mm_  f ” À Ó „  · ú šÜ ¼– Ð ì  rF G (poling) % ƒo  % i 



. “ : r • ¸\    É r Ä »„   © œÃ ºü < Ä »„  ’ < Hz  ´`  ¦ e ” x ~  Û ¼ ì  r$ 3  l

 (Impedance Analyzer, SI1260)– Ð 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9, “ : r • ¸

\

   É r · ú š„   © œÃ º (d ³³ )\  ¦ piezo-d 33 meter (IACAS, ZJ- 6B) – Ð 8 £ ¤& ñ % i  .

III. ÷ m Ç] M ö+ s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

1. : g à k Ä­ Ž ¶  ¥V R Ë; c   \ ¥ + s ÇX N ËV ê sÊ Ý ƒ »ì Å Q : g Œ º

— ¤V R Ë

· ú

š„   : £ ¤$ í `  ¦ ¨ î  l  0 AK  ì  rF G % ƒo   ) a [ j b ” Û ¼_  · ú š

„

  © œÃ º d 33 \  ¦ 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9, Ta › ¸$ í \    É r · ú š„   © œÃ º_ 



  o\  ¦ Fig. 1 \ 
 ? /% 3  . Ta 19 ∼ 21 mol%s  ' ‘ 

 )

a NKLNT [ j b ” Û ¼_  · ú š„   © œÃ º  H 230 pC/N – Ð ¨ î ÷ &

%

3 Ü ¼ 9, s  · ú š„   © œÃ º_  ° ú כ“ É r NKN [ j b ” Û ¼_  · ú š„   © œÃ º 80 ∼ 100 pC/N \  q K  7 £ x  # Œ · ú š„  : £ ¤$ í s  † ¾ Ó © œ÷ &% 3  6

£

§`  ¦ · ú ˜ à º e ”  . s \     X-‚    r] X  z  ´+ « >Ü ¼– Ð   & ñ  © œ

`

 ¦ › ¸  % i “ ¦, Ta 21 mol% ' ‘   ) a [ j b ” Û ¼\  ¦ ‚  × þ ˜

# Œ “ : r • ¸ x 9  Å Ò à º\    É r Ä »„  ì  rF G x 9  „  l „  • ¸ : £ ¤$ í

`

 ¦ › ¸  % i  .

Figure 2  H   & ñ  © œõ    & ñ ½ ¨› ¸\  ¦ S X ‰ “   l  0 Aô  Ç NKLNT [ j b ” Û ¼_  X-‚    r] X (XRD) J ‡  s  . XRD 8

£ ¤& ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t   H š ¸ \  ¦ þ j™ è o l  0 A # Œ 5N Sili- con (99.999%) ì  r ´ ú ˜`  ¦ ³ ðï  r Ó ü t| 9 – Ð  6   x # Œ  r] X  y Œ •• ¸

\

 ¦ ˜ Ð& ñ % i  . z  ´+ « >  õ  s  XRD J ‡  “ É r ABO 3 + þ A ` …– Ð

Fig. 2. (Color online) X-ray diffraction (XRD) patterns of NKLNT ceramics.

Fig. 3. SEM images of NKLNT ceramics.

Ú

ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H   & ñ ½ ¨› ¸ü < ¸ ú ˜ { 9 u  % i  . s 

„

 _  ƒ  ½ ¨\ " f NKN [ j b ” Û ¼  H orthorhombic  © œ`  ¦ ° ú 



 H  כ Ü ¼– Ð ¸ ú ˜ · ú ˜ 94 R e ”   [3]. ô  Ǽ # , NKLNT21 [ j b ”  Û

¼  H " f– Ð Ä » ô  Ç y © œ• ¸ (intensity)_  (002) x 9  (200) X-

‚

   r] X x ß ¼\  ¦ S X ‰ “   ½ + É Ã º e ”  . 7 £ ¤, Ta _  u  ¨ 8 Š \     (200)  r] X x ß ¼ 7 £ x  # Œ, orthorhombicõ  tetragonal



© œ_  / B N” > r`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”   [4,5,8,9].

Figure 3“ É r Ta u  ¨ 8 Š \    É r NKLNT [ j b ” Û ¼_  ³ ð

Fig. 4. (Color online) Temperature dependence of the real part of dielectric constant and loss of NKLNT21 at various frequencies. The inset of figure shows the corre- sponding real part of dielectric constant and loss of NKN ceramics.

€

  p [ j ½ ¨› ¸\  ¦
  · p ³ ð€   p [ j½ ¨› ¸ (SEM)  ”  s  .

z

Œ

—· ú ˜ (grain)_  — ¸€ ª œ“ É r ¹ ¢ ¤€  ^ ‰– Ð NKN_  l ‘ : r › ¸$ í \ " f

 
  H s „  _  ƒ  ½ ¨  õ ü < Ä »   . ô  Ǽ #  Tas  u  ¨ 8 Š

÷

&% 3 `  ¦ M :, z Œ —· ú ˜_  ß ¼l   Œ • ”    כ `  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  .

NKLNT13 ∼ NKLNT21 [ j b ” Û ¼_  x 9 • ¸  H ρ = 4.70 ∼ 4.72 g/cm ³ – Ð
 z Œ ¤ . ô  Ǽ #  NKN [ j b ” Û ¼_  x 9 • ¸  H ρ = 4.20 g/cm ³ Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ” Ü ¼ 9, s  NKN [ j b ” Û ¼

\

 q K  Ta`  ¦ ' ‘ ô  Ç NKLNT13 ∼ NKLNT21 [ j b ” Û ¼ _

 x 9 • ¸  H X < s   H Nb ˜ Ð  Á º î  r Ta`  ¦ u  ¨ 8 Š # Œ
 

è ß –   õ – Ð Ò q ty Œ •  ) a  .

2. — ¤ • ¤ õ m Í Æ X Øy ¢; c   \ ¥ – ¥ ¹ Å — ¤V R Ë

Figure 4  H 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz x 9  1 MHz _  Å Ò à º\ " f “ : r • ¸\     8 £ ¤& ñ ô  Ç NKLNT21 [ j

ß

¼
 
  H X < s   H  ~ ½ Ó& ñ > -& ñ ~ ½ Ó& ñ > _  ½ ¨› ¸  © œ„   s

\  K { © œ  ) a   [2,8,9]. Tas  u  ¨ 8 Š ) a NKLNT21 [ j b ”  Û

¼  H T O−T x ß ¼_  ; Ÿ ¤ s  V , # Q4 R s  Ä »„   x ß ¼ Ì º§  

>


 
t  · ú §Ü ¼ 9, 30 ^◦ C & ñ • ¸_  ± ú “ É r “ : r • ¸\ " f s  ¢ - a ë

ß –ô  Ç Ä »„   x ß ¼\  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  .   " f Liü < Tas  ' ‘ 

  H NKLNT [ j b ” Û ¼_  T ^O−T “ : r • ¸\  ¦ y Œ ™™ èr †    [4,5, 8,9]. NKN [ j b ” Û ¼  H  © œ“ : r   H % ƒ\ " f q “ §& h   H Ä »„  ’ < H z 

´ ° ú כ`  ¦ t  9,  © œ„  s  “ : r • ¸ T O−T s  © œ\ " f Ä »„  ’ < Hz  ´

“ É

r y Œ ™™ èô  Ç . ô  Ǽ #  T _O−T   © œ“ : r \  e ”   H NKLNT21 _  Ä »

„

  ’ < Hz  ´“ É r ß ¼>  y Œ ™™ è % i Ü ¼ 9, s   H Ta s  u  ¨ 8 ŠH † d \     T O−T  $ “ : r A á ¤ Ü ¼– Ð s 1 l x # Œ
 è ß –  כ Ü ¼– Ð ˜ Г   .

Š

© œF G   (dipole) x 9  „   î  r ì ø Í  (charge carrier)\  _  ô

 Ç Ä »„   6 £ x ² ú š: £ ¤$ í “ É r Å Ò à º\     " f– Ð  Ø Ô  [17,18].

s

 © œ& h “   F G$ í Ó  o^ ‰_  Ä »„  ¢ - a  o  H Debye ¢ - a  o‰ & ³ © œ`  ¦ : Ÿ x K

 l Õ ü t| ¨ c à º e ” t ë ß –, ´ ú §“ É r 6 £ x| 9 Ó ü t| 9 “ É r  A d ” õ  ° ú  “ É r Cole-Cole ì ø Í6 £ xd ” _  Ä »„  ¢ - a  o– Ð l Õ ü t| ¨ c à º e ”  .

 ^∗ =  0 −  ∞

1 + (iωτ 0 ) ^1−α , τ = 1 ω 0

= 1 2πf r

#

Œl " f τ ^o , ω o , f r ü < α   H y Œ •y Œ • ¢ - a  or ç ß –, : £ ¤$ í y Œ •Å Ò  Ã

º, : £ ¤$ í Å Ò à ºü < “ : r • ¸_ ” > r t à º s  . s  “    ፠ H 0<

α <1. s  M :, α  0s €  , Ä »„  ¢ - a  o  H Debye ¢ - a  o: £ ¤$ í Ü ¼

–

Ð l Õ ü t ) a  .



 É r ô  Ǽ # Ü ¼– Ð s  Ä »„  : £ ¤$ í “ É r Ä »m ! Q[ O  t à º Z O g Ë :Ü ¼

–

Ð l Õ ü t ½ + É Ã º e ” Ü ¼ 9, # Q‹ "  e ” > Å Ò à º (ω c ) \ " f  A d ” 

`

 ¦ ë ß –7 á ¤ ô  Ç .

 ⁰ (ω) α  ⁰⁰ (ω) α ω ⁿ

²

⁻¹ for ω  ω c

 ⁰ (ω) α  ⁰⁰ (ω) α ω ⁿ

¹

⁻¹ for ω  ω _c

#

Œl " f n ¹ -1 x 9  n 2 -1“ É r y Œ •Å Ò à º % ò % i _  Å Ò à º _ ” > r t à º s

 . „   î  r ì ø Í  „  • ¸\   H % i ½ + É`  ¦   H  â Ä º, Å Ò à º

 y Œ ™™ è† < Ê\     Ä »„   © œÃ º 7 £ x ô  Ç . s  Qô  Ç Ä »„  : £ ¤

$ í

`  ¦ $ Å Ò  ¢ - a  o‰ & ³ © œ (low-frequency dispersion, LFD)

Fig. 5. (Color online) Frequency dependence of real and imaginary part of dielectric constant of NKLNT21 ce- ramics.

¢

¸  H ï  r dc „  • ¸õ & ñ (quasi-dc process, QDC)Ü ¼– Ð [ O " î

 )

a   [17,18].

Figure 5  H Å Ò à º\    É r NKLNT21 [ j b ” Û ¼_  Ä »„  



© œÃ º z  ´Ã ºÂ Ò (ε ⁰ ) ü < ) ‡Ã ºÂ Ò (ε ⁰⁰ )\  ¦
  · p  כ s  . Ä »„   © œ Ã

º z  ´Ã ºÂ Òü < ) ‡Ã ºÂ Ò Å Ò à º\        t  · ú §`  ¦ M :, $ 

’

< Hz  ´ r Û ¼% 7 › (low-loss ¢ ¸  H flat-loss system) s    ҏ É r  .

s

 Ä »„  ì ø Í6 £ x“ É r ŠҖ Ð Á ºl Ó ü t| 9  (inorganic)õ  q s “ : r$ í Ä » o

 © œ (non-ionic glass)\ " f
 
 9, ü @ ҄  l  © œ\    y Œ ™ ô

 Ç כ ¹™ è \ O 6 £ §`  ¦ > p w ô  Ç . ¢ ¸ Å Ò à º ± ú  f ” \     Ä »

„

  © œÃ º z  ´Ã ºÂ Òü < ) ‡Ã ºÂ Ò ß ¼>  7 £ x ½ + É M :, $ Å Ò à º Ä »

„

 ì  r í ß – (low frequency dielectric dispersion)Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ”

 . “ : r • ¸ 7 £ x ü < † < Êa 
 
  H s  $ Å Ò à º Ä »„  ì  r í ß –

“ É

r „   î  r ì ø Í  Ä »„  ì  rF G \  l # Œ½ + É M :
 è ß – . : £ ¤ y , s

 Ä »„  ‰ & ³ © œ“ É r s “ : r$ í Ä »o  (ionic glass) Ó ü t| 9 \ " f ¸ ú ˜
 


 9, Ä »o  © œ„  s  (glass transition) “ : r • ¸ T g ˜ Ð  Z  }

“ É

r “ : r • ¸\ " f ± ú “ É r & h • ¸ü < Z  }“ É r s “ : r s 1 l x • ¸– Ð “  K  „    î

 r ì ø Í  (charge carrier) ~ 1 >  ¹ ¡ §f ” s >  ÷ &l  M :ë  H \ 
 

è ß –  [17].

3. — ¤ • ¤ õ m Í Æ X Øy ¢; c   \ ¥  ¹ ÅM   ¹ Åy ¢— ¤V R Ë

Ä

»„  6 £ x ² ú š“ É r z  ´Ã ºÂ Ò ε ⁰ (ω) ü < ) ‡Ã ºÂ Ò ε ⁰⁰ (ω) _  4 Ÿ ¤ ™ èÄ »„  

Fig. 6. (Color online) Temperature dependence of con- ductivity at various frequencies for NKLNT21 ceramics.

†

< Êà º ε ∗ (ω)– Ð  A ü < ° ú  s  l Õ ü t| ¨ c à º e ”  .

ε ∗ (ω) = ε ⁰ (ω) − iε ⁰⁰ (ω) s

 M :, Ä »„   © œÃ º z  ´Ã ºÂ Ò x 9  ) ‡Ã ºÂ ҍ  H  A ü < ° ú  s  „  l 

„

 • ¸• ¸ü < › ' aº  ÷ &# Q e ”  .

σ ⁰ (ω) = ε 0 ωε ⁰⁰ (ω) = ε 0 ωε ⁰ tanδ.

Figure 6“ É r 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz x 9  1 MHz_  Å

Ò à º\ " f 8 £ ¤& ñ ô  Ç “ : r • ¸ % i † < Êà º\    É r “ §À Ó (ac) „  l 

„

 • ¸• ¸\  ¦
  · p  כ s  . “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\     y Œ • Å Ò  Ã

º\    É r “ §À Ó „  l „  • ¸• ¸  H { 9 & ñ ô  Ç ° ú כ`  ¦ Ä »t  % i Ü ¼

, 300 ^◦ C s  © œ_  “ : r • ¸\ " f  H ± ú “ É r Å Ò à º\ " f „  l „  

•

¸• ¸ Ä º‚   7 £ x  H † d`  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

“

: r • ¸ 7 £ x † < Ê\    É r s “ : r ¢ ¸  H s “ : r ‘   o [ þ t _  s  Å

Ò\  _ ô  Ç „  l „  • ¸• ¸  H Arrhenius › ' a > d ” Ü ¼– Ð  A ü <

° ú

 s  l Õ ü t ) a  .

σ ⁰ = (A/T )exp(−E a /k B T )

#

Œl " f A  H s “ : r  & ñ ? /\ " f ‘   o  x 9 • ¸\  › ' a > ÷ &  H

° ú

כs  . “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\     $ Å Ò à º_  „  l „  • ¸• ¸



 H ß ¼>  7 £ x  “ ¦ e ”  . s  M :, ± ú “ É r Å Ò à º_  „  l „  • ¸



 H f ” À Ó (dc) „  • ¸\  ¾ ú š .   " f “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\   



 s  dc „  • ¸ „  l „  • ¸\  ß ¼>  l # Œ “ ¦ e ”  . 8 £ ¤& ñ Å

Ò à º 100 Hz { 9 M :, ¢ ¸ T c s  © œ_  “ : r • ¸\ " f % 3 “ É r  Ö ¸

$ í

 o\  -t   H 1.0 eV – Ð
 z Œ ¤ . s   H “ ¦“ : r \ " f ` …Ø Ô Ú

ÔÛ ¼ s à Ô y © œÄ »„  ^ ‰\ " f í ß –™ è/ B N/ B N _  s Å Ò\  _ ô  Ç  Ö ¸$ í

Fig. 7. (Color online) Frequency dependence of conduc- tivity at various temperatures for NKLNT21 ceramics.



o\  -t \  K { © œô  Ç . s   Ö ¸$ í  o \  -t  ° ú כ“ É r s “ : r   & ñ (ionic crystal)1 p x \ " f ‡ ‡ 8 Al  „  l „  • ¸\  _ ô  Ç ° ú כõ  q 5 p w

 .

Figure 7  H Å Ò à º\    É r NKLNT21 [ j b ” Û ¼_  ac

„

 l „  • ¸• ¸\  ¦ # Œ Q t  “ : r • ¸\ " f
  · p  כ s  . 8 £ ¤& ñ Å

Ò à º 7 £ x † < Ê\     ac „  l „  • ¸• ¸ 7 £ x    H : £ ¤

$ í

“ É r ± ú “ É r „  • ¸• ¸ x 9   ]  t Ÿ íÛ ¼ “ ¦^ ‰ © œ`  ¦ ° ú   H Ó ü t| 9 \ " f Å

Җ Ð
 
“ ¦  A ü < ° ú  “ É r d ” Ü ¼– Ð l Õ ü t ½ + É Ã º e ”  .

σ ⁰ (ω) = σ dc + Aω ⁿ

#

Œl " f σ dc   H dc ¢ ¸  H Å Ò à º ± ú `  ¦ M :_  „  l „  • ¸• ¸s 

“

¦ “    n  H 0< n <1 _  ° ú כ`  ¦ ° ú   H  . : £ ¤ y  $ Å Ò à º\ 

"

f ac „  l „  • ¸• ¸  H ¨ î ¨ î ô  Ç Â Òì  r s  ” > r F    H X < s  „  • ¸



 H dc „  l „  • ¸\  K { © œô  Ç . ô  Ǽ #  Å Ò à º 7 £ x † < Ê\   



É r ac „  l „  • ¸• ¸_  7 £ x   H t à ºZ O g Ë : (power law)`  ¦   Ø

Ô 9, Ä »m ! Q[ >  › ' a > d ”  (universal relation) s   · ú ˜ 94 R e ”

  [17].

Å

Ò à º Z  }`  ¦ à º2 Ÿ ¤ „    s 1 l x \  _ ô  Ç „  • ¸ l # Œ &  t

>   ) a  . 7 £ ¤, Z  }“ É r Å Ò à º\ " f „  l „  • ¸• ¸ σ ⁰ (ω)  H ¿ º

>

h_  “  ] X ô  Ç / B M _  „   _  s 1 l x \  _ K    & ñ ÷ &“ ¦, Å Ò  Ã

º 7 £ x † < Ê\     „  l „  • ¸• ¸ ‚  + þ A& h Ü ¼– Ð 7 £ x    H

 כ

Ü ¼– Ð [ O " î  ) a  . ô  Ǽ # , Fig. 7\ " f ˜ Ð1 p w s  NKLNT [ j  b ”

Û ¼_  „  l „  • ¸• ¸  H “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\     ß ¼>   Ö ¸$ í



o÷ &“ ¦ : £ ¤ y  “ ¦“ : r _  % ò % i \ " f dc „  • ¸ ß ¼>  l # Œ† < Ê`  ¦

· ú

˜ à º e ”  .

Figure 8“ É r ‡ ‡ 8 Al  (hopping) „  • ¸: £ ¤$ í `  ¦ ¨ î  l  0 A K

 k B Tε” vs. 1000/T Ü ¼– Ð ¼ # _  © œ y» ¡ ¤`  ¦ log Û ¼H { 9 – Ð


Fig. 8. (Color online) Log k _B Tε ⁰⁰ vs. 1000/T of NKLNT21 ceramics at various frequencies.



? /% 3  . y Œ •”  1 l x à º ω“   „  l  © œs  K | 9  M :, „  l „  

•

¸• ¸ z  ´Ã ºÂ Ò σ ⁰ ü < Ä »„   © œÃ º ) ‡Ã ºÂ Ò ε ⁰⁰ (ω)  H σ ⁰ (ω) = ε 0 ωε ⁰⁰ (ω) _  › ' a >  e ”  . # Œl " f ε 0   H ”  / B N _  Ä »„  Ö  ¦ s 



. ô  Ç ¼ #  “ ¦^ ‰ ? /\ " f s “ : r„  • ¸• ¸ σ  H Nernst-Einstein

› '

a > d ” Ü ¼– Ð  A ü < ° ú  s 
 è ­ q à º e ”   [17].

σ = N (Ze) ² D/k B T

#

Œl " f N“ É r „   î  r ì ø Í _  à º, Ze  H î  r ì ø Í _  „   s 

“

¦ D  H s 1 l x„   _  S X ‰ í ß –> à ºs  . { 9  " é ¶ \ " f S X ‰ í ß –>  Ã

º D = l ² υf /2 ü < ° ú   . # Œl " f l“ É r ‡ ‡ 8 Al   o , f  H correlation factor s “ ¦ υ  H s “ : r _  hopping rate– Ð υ = υ 0 e ^−(E/k

^B

^{T )} ü < ° ú  s  j þ t à º e ”  . # Œl " f E “ É r  Ö ¸$ í  o \ 



-t s  .   " f Nernst-Einstein › ' a > d ” “ É r  A ü < ° ú  s  j

þ

t à º e ”  .

ln(k B T ε ⁰⁰ ) = lnA − lnω − E/k B T

#

Œl " f A = 4πυ 0 N (Ze) ² l ² f /2 s  . 1/T _  † < Êà º– Ð  À » d ” 

`

 ¦ Õ ªo €   l Ö  ¦ l – РÒ'   Ö ¸$ í  o\  -t \  ¦ ½ ¨½ + É Ã º e ”  .

“

: r • ¸ 7 £ x † < Ê\     $ Å Ò à º\ " f €  $  „  l „  • ¸• ¸

 7 £ x  “ ¦ e ”  . : £ ¤ y ,  © œ„  s  “ : r • ¸ (T c ) s  © œ\ " f „   l

„  • ¸• ¸  H 8 £ ¤& ñ Å Ò à º\     { 9 & ñ ô  Ç ç ß –  `  ¦ ° ú   H — ¸ _

þ

v`  ¦ ˜ Ðs  9, s  M :,  Ö ¸$ í  o\  -t   H 1.0 eV – Ð > í ß –÷ &% 3 



. 7 £ ¤, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz ü < 100 kHz1 p x _  y Œ •y Œ • Å Ò  Ã

º\ " f l Ö  ¦ l   H { 9 & ñ ô  Ç f ” ‚  s “ ¦ Õ ª[ þ t ç ß –_  ç ß –  • ¸ { 9 

&

ñ  .   " f s    õ   H ‡ ‡ 8 Al  „  • ¸: £ ¤$ í `  ¦ ¸ ú ˜ ë ß –7 á ¤ 

“

¦ e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

4. À X Ø 8 ý

“

¦^ ‰r « Ñ ? /_  „   î  r ì ø Í   H ü @ ҄  l  © œ\  _ K  ¹ ¡ §f ”  s

l  r  Œ • “ ¦ Å Ò à º\    É r Ä »„  ì  r í ß –`  ¦ ˜ Ðs >   ) a   [17,18]. NKN [ j b ” Û ¼\ " f• ¸ “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\     $  Å

Ò à º Ä »„   © œÃ º_  z  ´Ã ºü < ) ‡Ã ºÂ Ò ß ¼>  7 £ x   9, s 



 H „   î  r ì ø Í  Ä »„  ì  rF G \  l # Œ   H  כ Ü ¼– Ð [ O " î  ) a  .

:

£

¤ y , NKN [ j b ” Û ¼ ] j› ¸ / B N& ñ \ " f K x 9  Nas “ : r _    

€ 9

õ  † < Êa  í ß –™ è ‘   o  (/ B N/ B N) s  Ò q tl  9, „   î  r ì ø Í – Ð

„

 l „  • ¸\  l # Œ >  ô  Ç . (Na, K)   € 9 õ  í ß –™ è ‘    o

 (/ B N/ B N) _    † < Ês  „  l  © œ “  \     ± ú “ É r Å Ò à º\ 

"

f ì ø Í6 £ x # Œ $ Å Ò à º Ä »„  ì  rF G õ   H „  l „  • ¸ : £ ¤$ í `  ¦

 ? /  H  כ Ü ¼– Ð ˜ Г   .

Li x 9  Tas  u  ¨ 8 Š| ¨ c  â Ä º,  © œ„  s  “ : r • ¸ ± ú “ É r “ : r • ¸ A á ¤ Ü ¼

–

Ð s 1 l x “ ¦ [16], „  l „  • ¸• ¸ y Œ ™™ èô  Ç . s  M : NKNLT Ä

»„  / B G‚  \ " f  ~ ½ Ó-& ñ ~ ½ Ó& ñ >   © œ„  s  “ : r • ¸ (T O−T )  H 30

◦ C Â Ò   H s “ ¦, y © œÄ »„   © œ- © œÄ »„   © œ_   © œ„  s  “ : r • ¸ (T ^c )  H 350 ^◦ C Â Ò   H s  . : £ ¤ y , z  ´“ : r   H % ƒ_  ± ú “ É r “ : r • ¸\ " f $ Å Ò 

 Ä »„  ì  r í ß –s  y Œ ™™ è % i Ü ¼ 9, ± ú  ”   „  l „  • ¸ “ : r • ¸

 7 £ x † < Ê\     { 9 & ñ ô  Ç ° ú כÜ ¼– Ð Ä »t ÷ &% 3  .   " f „   l

„  • ¸_  y Œ ™™ è– Ð Ø  æì  r ô  Ç ì  rF G % ƒo  0 p x # Œ s – Ð “   K

 · ú š„  : £ ¤$ í s  † ¾ Ó © œ÷ &  H  כ Ü ¼– Ð s K   ) a  . 300 ^◦ C s Ê ê,

“

: r • ¸ 7 £ x \     Ä »„   © œÃ º z  ´Ã ºÂ Òü < ) ‡Ã ºÂ Ò ß ¼>  7 £ x

 “ ¦ e ” Ü ¼ 9, s  Ä »„   1 l x“ É r “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\      Ö ¸

$ í

 o÷ &  H „   î  r ì ø Í  Ä »„  ì  rF G \  l # Œ   H  כ Ü ¼– Ð s  K

  ) a  . 7 £ ¤, “ : r • ¸ x 9  Å Ò à º _ ” > r „  l „  • ¸• ¸  H “ : r • ¸

7

£

x † < Ê\     $ Å Ò à º– РÒ'  „  l „  • ¸• ¸  H " f" fy  7 £ x

 % i Ü ¼ 9, T c s Ê ê dc „  l „  • ¸ „  • ¸: £ ¤$ í \  ß ¼>  l 

#

Œ “ ¦ e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ”  . s  M :, T ^c s  © œ_  “ : r • ¸\ " f % 3 

“ É

r „  l „  • ¸_   Ö ¸$ í  o\  -t   H ∼ 1.0 eV – Ð
 z Œ ¤ . : £ ¤ y

, T c s  © œ_  “ : r • ¸\ " f Å Ò à º 7 £ x \     { 9 & ñ ô  Ç ç ß –

 

`  ¦ ° ú   H — ¸_ þ v`  ¦ ˜ Ð# Œ ‡ ‡ 8 Al  (hopping) „  • ¸: £ ¤$ í `  ¦ ë ß – 7

á

¤ “ ¦ e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

IV. + s Ç Â ] Ø

Á

ºƒ   (Na 0.53 K 0.47 ) 0.96 Li 0.04 (Nb 1−x Ta x )O 3 (x = 0.0, 0.13, 0.15, 0.17, 0.19, 0.21) · ú š„  [ j b ” Û ¼\  ¦ “ ¦ © œì ø Í6 £ x Z O

Ü ¼– Ð ] j› ¸ % i  . X-‚    r] X  ì  r$ 3 `  ¦ : Ÿ x K   ~ ½ Ó& ñ >  x 9 

&

ñ ~ ½ Ó& ñ >  ™ D ¥ ½ + ˝ ) a   & ñ  © œ (crystalline phase)e ” `  ¦ S X ‰ “  

% i  . “ : r • ¸\    É r Ä »„  : £ ¤$ í \ " f  ~ ½ Ó-& ñ ~ ½ Ó& ñ > _   © œ

„

 s  “ : r • ¸ (T ^O−T )  H 30 ^◦ C – Ð y © œÄ »„   © œ- © œÄ »„   © œ_   © œ„   s

 “ : r • ¸ (T c )  H 350 ^◦ C – Ð
 z Œ ¤ . : £ ¤ y  Li x 9  Ta_  u 

¨ 8

Š“ É r $ Å Ò à º Ä »„  ì  r í ß – x 9  „  l „  • ¸ : £ ¤$ í `  ¦ y Œ ™™ èr v 

“

¦ · ú š„  : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó © œr (   . s  M :, · ú š„   © œÃ º (d 33 )  H 230 pC/N Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 Ü ¼ 9, NKN_  80 ∼ 100 pC/N\  q  K

 7 £ x  % i  . : £ ¤ y , T ^c  © œ„  s  “ : r • ¸ s  © œ\ " f % 3 # Q”  

 Ö

¸$ í  o \  -t  E a = 1.0 eV s % 3 “ ¦, í ß –™ è / B N/ B N s  „  l „  

•

¸\  l # Œ   H  כ Ü ¼– Ð
 z Œ ¤ . 7 £ ¤, ± ú “ É r “ : r • ¸\ " f  H “ § À

Ó „  l „  • ¸ „  • ¸\  l # Œ t ë ß – 300 ^◦ C s  © œÜ ¼– Ð “ : r

•

¸ 7 £ x † < Ê\     dc „  l „  • ¸ „  • ¸\  ß ¼>  l # Œ† < Ê

`

 ¦ · ú ˜ à º e ”  .

P

c p 8 ý ò k >

This work was supported by a National Research Foundation of Korea Grant funded by the Korean Gov- ernment (2010-0023129). This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIP) (2011- 0030058).

REFERENCES

[1] E. Cross, Nature 432, 24 (2004).

[2] G. H. Haertling, J. Am. Ceram. Soc. 50, 329 (1967).

[3] P. Kumar, M. Pattanai and Sonia, Ceram. Int. 39, 1 (2013).

[4] Y. Guo, K. Kakimoto and H. Ohsato, Appl. Phys.

Lett. 85, 4124 (2004).

[5] Y. S. Sung, S. Baik, J. H. Lee, G. H. Ryu and D.

Do et al., Appl. Phys. Lett. 101, 012902 (2012).

[6] G. Z. Zang, J. F. Wang, H. C. Chen, W. B. Su and C. M. Wang et al., Appl. Phys. Lett. 88, 21 (2006).

[7] Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama and K.

Takatori et al., Nature 432, 84 (2004).

[8] J. S. Kim, C. W. Ahn, S. Y. Lee, A. Ullah and I. W.

Kim, Curr. Appl. Phys. 11, S149 (2011).

[9] J. H. Lee, G. H Ryu, Y. S. Sung, J. H. Cho and T.

K. Song et al., J. Kor. Ceram. Soc. 48, 467 (2011).

[10] S. W. Kim, T. H. Lee, Y. S Sung, J. H. Cho and T.

K. Song et al., New Phys.: Sae Mulli 60, 401 (2010).

[11] K. S. Lee and J. H. Koh, J. KIEEME 23, 517 (2010).

[12] M. S. Kim, J. S. Kim, G. H. Ryu, S. Y. Lim and M.

H. Kim et al., New Phys.: Sae Mulli 63, 926 (2013).

[13] K. Higashide, K. Kakimoto and H. Ohsato, J. Euro.

Ceram. Soc. 27, 4107 (2007).