Bi 0.5 (Na 1−x K x ) 0.5 TiO 3 “ ¤Ž ì Å : g à k Ä8 ý – ¥ ¹ Å õ m Í ° q ¹ Å — ¤V R Ë

Bi 0.5 (Na 1−x K x ) 0.5 TiO 3 “ ¤Ž ì Å : g à k Ä8 ý – ¥ ¹ Å õ m Í °  q ¹ Å — ¤V R Ë



™ »0 ï F] 8 ; ·  ™ ») ç Œ ‰ x · . > ( å ' Ö <

1 l

x _ @ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ ,  Òí ß – 614-714

¼ ÿ

›‡ ç ¡ 4 w H ·  ™ » G ž B 4 w H ^∗

Ö 

¦ í ß –@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , Ö  ¦ í ß – 680-749



™ »* å 0 ² ? · T <  , >

Ö

 ¦ í ß –@ /† < Ɠ § ' ‘ é ß –™ èF / B N † < Æ Ò, Ö  ¦ í ß – 680-749 (2006¸   1 Z 4 25{ 9  ~ à Î6 £ §, þ j7 á x‘ : r 2006¸   6 Z 4 5{ 9  ~ à Î6 £ §)

PZT >  · ú š„   [ j b ” “ É r ¨ 8 Š â \  Ä »K ô  Ç ± ú š (Pb)s  60 wt % s  © œ Ÿ í† < Ê÷ &# Q e ” # Q “  ^ ‰\  Ä »K  Ù ¼

–

Ð í ß –\ O > \ " f ± ú šs  † < ÊÄ »÷ &t  · ú §  H • 2 ;¨ 8 Š â Á ºƒ   (J) · ú š„   ™ èF  > hµ 1 Ïs  כ ¹½ ¨÷ &“ ¦ e ”  . s ü < ° ú  “ É r כ

¹½ ¨\  _ K  K (potassium) u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

(BNKT) [ j b ” `  ¦ ] j Œ • # Œ Ä »

„

  x 9  · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ › ¸  % i  . K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  7 £ x † < Ê\     BNKT [ j b ” “ É r rhombohedral  © œ\ " f tetragonal  © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  % i Ü ¼ 9, K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  x = 0.15 % ò % i \ " f ¿ º © œs  / B N” > r   H  © œ  â > % ò % i  (Morphotropic Phase Boundary, MPB) s  ” > r F  “ ¦ s  % ò % i \ " f Z  }“ É r „  l l >   ½ + Ë> à º (k

³³

∼ = 43

%) ü < · ú š„  > à º (d

³³

∼ = 140 pC/N)\  ¦
 ? /% 3  .

PACS numbers: 77.84.-s, 77.84.Dy

Keywords: Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

, Á ºƒ   [ j b ” ,  © œ  â > % ò % i  (MPB), · ú š„  $ í

I. " e  ] Ø

PZT >  [ j b ” “ É r Ä ºÃ ºô  Ç · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ t “ ¦ e ” # Q · ú š

„

    · ú šl , " l oÆ Ó\ s ' , à Ô ½ ™Û ¼¿ »" f, G ' p" f, Y U› ¸W 1s ' ,

€ 9

'  1 p x õ  ° ú  “ É r 6   x • ¸– Ð F  g# 3 0 A >  6 £ x6   x ÷ &“ ¦ e ”  . Õ ª Q

 s  Ó ü t| 9 “ É r ¨ 8 Š â \  Ä »K ô  Ç ± ú š(Pb)`  ¦ 60 wt % s  © œ † < ÊÄ »

“ ¦ e ” # Q ¨ 8 Š ⠚ ¸% i _  " é ¶ “  s  ÷ &“ ¦ e ”  . s ü < ° ú  “ É r ¨ 8 Š â

&

h “   כ ¹½ ¨\  _ K  PZT> ü < Ä » ô  Ç · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ t   H Á

ºƒ   · ú š„   [ j b ” _  > hµ 1 Ïs  { 9 ‘ : r õ  Ä »X O `  ¦ ×  æd ” Ü ¼– Ð Õ ª

€ 9

כ ¹$ í s  d ” y Œ • >  @ /¿ º÷ &“ ¦ e ”  . þ j   H \  Y. Saito [1] 1 p x

“

É r (K,Na,Li)(Nb,Ta,Sb)O

3

“ ¦6   x ^ ‰_   © œ â > % ò % i `  ¦ › ¸ 

# Œ · ú š„  > à º (d

³³

)  €  • 300 pC/N_  q “ §& h  Z  }“ É r ° ú כ`  ¦

t   H › ¸$ í `  ¦ Nature t \  µ 1 ϳ ð % i  . s  ° ú כ“ É r í  H à ºô  Ç PZT _  d33 ° ú כõ  Ä » ô  Ç ° ú כs  . ¢ ¸ô  Ç ¨ î ó ø Í+ þ A NaNbO3 { 9 



\  ¦ s 6   x # Œ reactive templated grain growth(RTGG)

~

½ ÓZ O Ü ¼– Ð ] j› ¸ô  Ç (K,Na,Li)(Nb,Ta,Sb)O

₃

[ j b ” “ É r 400 pC/N s  © œ_  Z  }“ É r d

33

° ú כ`  ¦ ° ú   H  “ ¦ ˜ Г ¦ % i  . T.

Takenaka  H þ j   H ƒ  ½ ¨÷ &“ ¦ e ”   H # Œ Q Á ºƒ   · ú š„  ™ èF _ 

∗

E-mail: [email protected]

:

£ ¤$ í `  ¦ & ñ o  # Œ · ú ¡Ü ¼– Ð_  6 £ x6   x 0 p x$ í \  @ / # Œ µ 1 ϳ ð 

% i   [2].

Á

ºƒ  >  · ú š„   [ j b ”  F « і Ð ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô, Ilmenite, Bi 8 £ x  © œ, tungsten-bronz-type 1 p x õ  ° ú  “ É r  € ª œô  Ç ½ ¨› ¸_  Ó

ü t| 9 [ þ t s  ƒ  ½ ¨÷ &“ ¦ e ” Ü ¼
, ‰ & ³F   Ö ¸ µ 1 Ïy  ƒ  ½ ¨ ”  ' Ÿ ÷ &

“

¦ e ”   H Ó ü t| 9 “ É r alkaline ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸ü < Bi 8 £ x



© œ½ ¨› ¸ s  . Bi 8 £ x  © œ½ ¨› ¸  H Ç ©o “ : r • ¸ Z  } “ ¦, Ä »„  Ö  ¦ s

  Œ •Ü ¼ 9 / B N”  Å Ò à º_  “ : r • ¸> à º  Œ • " f · ú š„   Y U› ¸ W

1s ' – Ð 6 £ x6   x l  0 Aô  Ç ƒ  ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy  ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ” Ü ¼

     s ~ ½ Ó$ í s  ß ¼l  M :ë  H \  Z  }“ É r · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ % 3 l  0 A K

" f  H hot-forging s 
 reactive templated grain growth (RTGG) ü < ° ú  “ É r / B N& ñ s  € 9 כ ¹    H ë  H ] j& h s  e ”   [3-7].

Alkaline ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸_  @ /³ ð& h “   Ó ü t| 9 “   Bi

0.5

Na

0.5

TiO

3

(BNT)  H T. Takenaka [4]1 p x õ  ° ú  “ É r ƒ  

½

¨ \  _ K  ƒ  ½ ¨÷ &% 3 Ü ¼ 9, þ j   H { 9 ‘ : r \ " f  H ` …– ÐÚ ÔÛ ¼

s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H BNT\  ¦ l ‘ : r › ¸$ í Ü ¼– Ð 2, 3 $ í ì  r >  _

 4 Ÿ ¤ ½ + Ë ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  › ' a ô  Ç ƒ  ½ ¨  Ö ¸ µ 1 Ïy  ”   '

Ÿ ÷ &“ ¦ e ”   [8]. BNT  H A

⁰x

A

⁰⁰1−x

BO

3

d ” `  ¦ t   H ¢ - a



o+ þ A y © œÄ »„  ^ ‰\  5 Å q  9, Bi  H A

⁰

, Na  H A

⁰⁰

, Ti  H B \  0 A u

  9 z  ´“ : r \ " f R3C ý aÄ º @ /g A ½ ¨› ¸\  ¦ ”    [9-11].

BNT [ j b ” “ É r 320

^◦

C _  Z  }“ É r Ç ©o “ : r • ¸, Õ ªo “ ¦  © œ“ : r \ 

-56-

"

f 38 C/cm

²

_   H ï ß –À Óì  rF G | ¾ Óõ  73 kV/cm_  † ½ ӄ  l  © œ

`

 ¦
 ? /  H y © œÄ »„  ^ ‰s l  M :ë  H \  Á ºƒ   · ú š„   [ j b ”  ×  æ


– Ð Jaffe [12]\  _ K  ˜ Г ¦÷ &% 3  . BNT [ j b ” “ É r  © œ

“

: r \ " f rhombohedral ½ ¨› ¸\  ¦ t  9, 200

^◦

C Â Ò   H \ " f y

© œÄ »„   © œ\ " f ì ø Íy © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  “ ¦ 360

^◦

C Â Ò   H

\

" f  © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  ô  Ç  [13, 14].

‘

: r ƒ  ½ ¨  H rhombohedral  © œ`  ¦ t   H Bi

0.5

Na

0.5

TiO

3

(BNT) ü < tetragonal  © œ`  ¦ t   H Bi

_0.5

K

_0.5

TiO

₃

(BKT) _  2$ í ì  r >  4 Ÿ ¤ ½ + Ë ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸“   Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

(BNKT) [ j b ” `  ¦ ] j› ¸ # Œ  © œ

„

 s \    É r Ä »„   x 9  · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ › ¸  % i  .

II. ÷ m Ç] M öU ê s0 n É

Na

2

CO

3

(99 %, Katayama  o† < Æ), Bi

2

O

3

(99.9 %, “ ¦ í

 H • ¸ o† < Æ), TiO

2

(99.9 %, “ ¦í  H • ¸ o† < Æ), K

2

O

3

(99.9 %, Cerac) ì  r ´ ú ˜`  ¦ " é ¶ « і Ð # Œ í ß – oÓ ü t ™ D ¥ ½ + ËZ O Ü ¼– Ð BNKT [ j



b ” `  ¦ ] j› ¸ % i  . z  ´+ « >\   6   x ) a r « Ñ_  › ¸$ í d ” “ É r   6

£

§ õ  ° ú   .

Bi

0.5

(N a

1−x

K

x

)

0.5

T iO

3

(x = 0, 0.15, 0.20, 0.25) (1) BNKT [ j b ” _  › ¸$ í q \     " é ¶ « Ñ ì  r ´ ú ˜`  ¦ „   $  Ö

 ¦`  ¦ s 6   x # Œ 10

⁻³

g  t  ¨ î | ¾ Óô  Ç Ê ê, B j 9 · ú ˜ ï`  ¦ õ  t  Ø

ԝ ïm   ^  ¦`  ¦ ° ú  “ É r  Òx q  (1 : 1 : 1)– Ð [ O # Q [ j' ‘  ) a e  ¦ o

\  9 E $ ™ 6   x l \  V , “ ¦ 24r ç ß – 1 l x î ß – 1  ^  ¦x 9 `  ¦ z  ´r  

%

i  . 1  ^  ¦x 9 s  = å Q è ß – Ê ê ì  r ´ ú ˜ 5 Å q \  Ÿ í† < ʝ ) a B j 9 · ú ˜ ï`  ¦

`

 ¦ 6 fµ 1 Ïr v l  0 AK " f BNKT ™ D ¥ ½ + ËÓ ü t`  ¦ „  l š ¸‘ É r \  V , 

#

Q 100

^◦

C \ " f 24r ç ß – 1 l x î ß – | › ¸ % i  . | › ¸  ) a ì  r ´ ú ˜`  ¦

· ú

˜À Òp 
 Ä »µ 1 ϖ Ð ì  r  W # Œ · ú ˜À Òp 
 • ¸m \  V , “ ¦ 800

◦

C \ " f 2r ç ß – 1 l x î ß – ™ è % i  . ™ è = å Q è ß – ì  r ´ ú ˜`  ¦ Ä » µ

1 ϖ Ð F ì  r  Wô  Ç Ê ê 1  ^  ¦x 9 õ  ° ú  “ É r › ¸| Ü ¼– Ð 2  ^  ¦x 9 õ 

|

› ¸\  ¦ % i  . | › ¸ = å Q è ß – ì  r ´ ú ˜`  ¦ ì  r  Wô  Ç Ê ê $ í + þ A l  0

A # Œ 10 % polyvinylalcohol (PVA) 6   xÓ  o`  ¦   ½ + Ë] j– Ð 4 wt % ™ D ¥ ½ + Ë # Œ Ä »µ 1 ϖ Ð “ ¦À Ò [ O # Qï  r Ê ê 80 mesh (0.180 mm) s  _  { 9  – Ð ì  r À Ó # Œ f ”  â 16 mm_  F K+ þ A d  ¦ \  1.0 gm ”  G Ä º“ ¦ 49 MPa_  · ú š§ 4 `  ¦ “   # Œ $ í + þ A % i  .

 

½ + Ë] j\  ¦ 6 fµ 1 Ïr v l  0 AK " f $ í + þ A ) a [ j b ” `  ¦ 550

^◦

C \ 

"

f 1r ç ß – \ P % ƒo  Ê ê 1150

^◦

C \ " f 2r ç ß – 1 l x î ß – ™ è   % i 



. ™ è   Ê ê r « Ñ[ þ t _  „  l & h “   : £ ¤$ í `  ¦ › ¸  l  0 A # Œ

¿

ºa  0.3 ∼ 0.5 mm– Ð / B N “ ¦ € ª œ€  \  dc Û ¼( ' a A`  ¦ s  6

 

x # Œ Ñ þ ˜F K (Pt) „  F G`  ¦ 7 £ x ‚ à Ìô  Ç Ê ê „  • ¸$ í `  ¦ † ¾ Ó © œr v  l

 0 A # Π500

^◦

C \ " f 10ì  r ç ß – \ P % ƒo  # Œ „  F G`  ¦ + þ A$ í

% i  . ¢ ¸ô  Ç · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ l  0 A # Œ BNKT [ j



b ” `  ¦ – Ðü < [ j– Ð y Œ •y Œ • 1.5 mm, Z  } s  3 mm“    y Œ •l 

Fig. 1. Density of BNKT ceramics as a function of sin- tering temperatures.

Ñ ü

æ + þ AI – Ð ] j Œ • “ ¦ dc Û ¼( ' a A`  ¦ s 6   x # Œ € ª œ€  \  Ñ þ ˜ F K (Pt) „  F G`  ¦ + þ A$ í r †   Ê ê, „  • ¸$ í `  ¦ † ¾ Ó © œr v l  0 A 

#

Π500

^◦

C \ " f 10ì  r ç ß – \ P % ƒo  # Œ „  F G`  ¦ + þ A$ í % i  .

s

ü < ° ú  s  ] j Œ •  ) a r « э  H z  ´o – B H š ¸{ 9  5 Å q \  { Œ ™Õ ª“ ¦ 3 ∼ 5 kV/mm _  f ” À Ó „  l  © œ`  ¦ 30ì  r ç ß – “   # Œ ì  rF G % ƒo  

% i  .

Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

(x = 0, 0.15, 0.20, 0.25) [ j



b ” _    & ñ ½ ¨› ¸ x 9   © œ ì  r$ 3 “ É r X-‚    r] X   © œu  (X- ray Diffraction, XRD, RIGAKU D-3C)\  ¦ s 6   x # Œ

›

¸  % i  . ™ è  “ : r • ¸ü < › ¸$ í    o\    É r BNKT [ j



b ” _  p [ j½ ¨› ¸  H Å Ò „   ‰ & ³p  â (Scanning Electron Microscopy, SEM, JEOL JSM-820)`  ¦ s 6   x # Œ 8 £ ¤& ñ

% i  . r « Ñ_  Ä »„  $ í õ  · ú š„  $ í “ É r “  x ~  Û ¼ ì  r$ 3 l  (HP4192A)\  ¦ s 6   x # Œ 100 Hz 1 kHz Å Ò à º # 3 0 A ü < 30 ∼ 550

^◦

C “ : r • ¸ # 3 0 A\ " f 8 £ ¤& ñ % i “ ¦, · ú š„  > à º 8

£ ¤& ñ  © œu  (Piezo-d

33

meter, CADT-B-3300)\  ¦ s 6   x 

#

Œ · ú š„  > à º\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  . r « Ñ_  y © œÄ »„   s § 4 / B G‚  “ É r Sawyer-Tower  r– Ðü < n t _ O  š ¸z  ´– ÐÛ ¼ ïá Ô (TDS-210, Tektronix)\  ¦ s 6   x # Œ 8 £ ¤& ñ % i  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

x 9

• ¸  H Ó ü t| 9 `  ¦ ½ ¨$ í   H כ ¹™ è[ þ t _  ß ¼l ü < | 9 | ¾ Ó,   & ñ

?

/ " é ¶  [ þ t s  G 0 >4 R e ”   H & ñ • ¸, p [ j½ ¨› ¸ ? /\  ” > r F  



 H l / B NÖ  ¦ \  _  # Œ   & ñ  ) a  . K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r BNKT [

j b ” _  ™ è  $ í `  ¦ › ¸  l  0 A # Œ / B N l ×  æ \ " f 8 £ ¤& ñ ô  Ç r

« Ñ_  | 9 | ¾ Óõ  Ó ü t5 Å q \ " f 8 £ ¤& ñ ô  Ç r « Ñ_  | 9 | ¾ Ó`  ¦ „   $ 

Ö

 ¦`  ¦ s 6   x # Œ 10

⁻³

g  t  8 £ ¤& ñ ô  Ç Ê ê  Ø Ôv B jX <Û ¼ d ” Ü ¼

–

Ð ™ è  x 9 • ¸ (ρ)\  ¦ > í ß – % i  . $ í + þ A ) a BNKT [ j b ” “ É r

™

è  “ : r • ¸ 7 £ x † < Ê\     ƒ  5 Å q& h Ü ¼– Ð Ø Ÿ ‚ ½ Óõ  à º» ¡ ¤ ì ø Í 6

£

x  9, þ j@ / à º» ¡ ¤   H “ : r • ¸\ " f [ j b ” _  ± ú  · ú ˜[ þ t“ É r / å L

 

y  $ í  © œ  9, s  “ : r • ¸ & h & ñ ™ è  “ : r • ¸  ) a  . & h & ñ

™

è  “ : r • ¸ s  © œs  ÷ &€  , [ j b ”  ? /\  Na, K, Bi " é ¶ ™ è[ þ t s  6

fµ 1 Ï >  ÷ &# Q x 9 • ¸ ×  ¦ # Q[ þ t “ ¦ Ó  o © œ (liquid phase)s  µ

1 ÏÒ q t # Œ [ j b ” _  : £ ¤$ í s  $    ) a  . Õ ª QÙ ¼– Ð [ j b ”  _

 ™ è  “ : r • ¸\     x 9 • ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ # Œ BNKT [ j b ” _ 

&

h

& ñ ™ è  “ : r • ¸\  ¦   & ñ ½ + É Ã º e ”  . Fig. 1“ É r ™ è  “ : r • ¸\ 



 É r BNKT [ j b ” _  x 9 • ¸\  ¦
  · p  כ s  . — ¸Ž  H › ¸$ í _

 BNKT [ j b ” “ É r 1150

^◦

C \ " f þ j@ / x 9 • ¸° ú כ`  ¦
 ? /

%

3 “ ¦, 1200

^◦

C \ " f ™ è   ) a [ j b ” _  x 9 • ¸  H 1150

^◦

C \ 

"

f ™ è   ) a [ j b ” ˜ Ð  y Œ ™™ è % i  . x 9 • ¸ þ j@ / ÷ &  H 1150

^◦

C\  ¦ & h & ñ ™ è  “ : r • ¸– Ð   & ñ % i  .

Fig. 2(a)  H K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r BNKT [ j b ” _  XRD J

‡  `  ¦
  · p  כ s  . — ¸Ž  H › ¸$ í \ " f BNKT [ j b ” “ É r

`

…– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô   & ñ ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í % i Ü ¼ 9 s   © œ“ É r µ 1 Ï

|

÷ &t  · ú §€ Œ ¤ . Fig. 2(b)  H 46

^◦

Â Ò   H _  x ß ¼\  ¦ Õ ªA á Ô ì  r

$

3  á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›`  ¦ s 6   x # Œ Lorentzian profile † < Êà º– Ð ì  r$ 3  ô

 Ç  כ Ü ¼– Ð z  ´‚  “ É r XRD X <s '  s “ ¦ & h ‚  Ü ¼– Ð ³ ðr ô  Ç x  ß

¼[ þ t“ É r Lorentzian profile † < Êà º– Ð ì  r$ 3 ô  Ç x ß ¼s  . í  H à º ô

 Ç BNT  H 46o Â Ò   H \ " f ô  Ç > h_  x ß ¼– Ð
 z Œ ¤Ü ¼
 K u

 ¨ 8 Š | ¾ Ós  x = 0.15 s  © œ“   r « э  H ¿ º > h_  x ß ¼– Ð ì  r o ÷ &

%

3  . { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸`  ¦ t   H BNT

>

 [ j b ” “ É r rhombohedral  © œ`  ¦ | 9   â Ä º 46

^◦

Â Ò   H \ 

"

f (002)ü < (200)_  x ß ¼ 
– Ð ½ + Ë5 g4 R" f
 
 9, tetragonal  © œ`  ¦ | 9   â Ä º (002)ü < (200)_  x ß ¼ — ¸¿ º

 
>   ) a  . Õ ª Q
 MPB % ò % i \ " f  H rhombohedral (200)R x ß ¼ü < tetragonal (200)T, (002)T x ß ¼ † < Êa  / B N

”

> r ô  Ç . z  ´+ « >\ " f í  H à ºô  Ç BNT [ j b ” “ É r rhombohedral



© œ`  ¦ t  9, Na  o \  K\  ¦ u  ¨ 8 Š €   tetragonal  © œÜ ¼

–

Ð  © œ„  s  % i  .

Fig. 3 \  BNKT [ j b ” _      © œÃ º\  ¦ Lorentzian pro- file – Ð ì  r$ 3 ô  Ç x ß ¼– РÒ'  > í ß – # Œ K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    
 

? /% 3  . x = 0.15 ü < x = 0.20 [ j b ” “ É r rhombohedral



© œõ  tetragonal  © œs  / B N” > r † < Ê`  ¦ · ú ˜ à º e ” % 3 Ü ¼ 9, x = 0.25 [

j b ” “ É r rhombohedral  © œ`  ¦
 ? /  H (200)R x ß ¼  



t “ ¦ tetragonal  © œ`  ¦
 ? /  H (002)T ü < (200)T x ß ¼ ë

ß – ” > r F  % i  . Õ ª QÙ ¼– Ð K ' ‘ | ¾ Ós  x = 0.15 ∼ 0.20   s

\ " f BNT (rhombohedral)-BKT (tetragonal) 4 Ÿ ¤ ½ + Ë ` …

–

ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H  © œ  â > % ò % i  (Morphotropic Phase Boundary, MPB) s  ” > r F  % i  .

Fig. 4“ É r 1150

^◦

C \ " f ™ è  ô  Ç BNKT [ j b ” _  K u 

¨ 8

Š | ¾ Ó\    É r p [ j½ ¨› ¸\  ¦ Å Ò „   ‰ & ³p  â `  ¦ s 6   x # Œ › ' a

Fig. 2. (a) The XRD patterns of BNKT ceramics. (b) The XRD peaks variation of tetragonal phase (200)T, (002)T and rhombohedral phase (200)R as a function of K ratio.

¹

1 Ïô  Ç  כ s  . K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  7 £ x † < Ê\     ± ú  · ú ˜_  ß ¼l 

3 µm \ " f 0.6 µm– Ð  Œ • & ’ Ü ¼ 9 K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  x = 0.15 { 9

M : ± ú  · ú ˜[ þ t“ É r ¹ ¢ ¤€  ^ ‰ + þ AI – Ð + þ A$ í ÷ &% 3 Ü ¼ 9 x 9 • ¸  H / å L

 

y  7 £ x  % i  . Õ ª Q
 x = 0.25 s  © œ\ " f  H K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó

Fig. 3. Lattice constant of BNKT ceramics as a function of K ratio.

Fig. 4. SEM images of BNKT ceramics as a function of K ratio. (a) x = 0, (b) x = 0.15, (c) x = 0.20 (d) x = 0.25.

s

 7 £ x ½ + Éà º2 Ÿ ¤ ± ú  · ú ˜_  ß ¼l ü < x 9 • ¸  H  r  y Œ ™™ è % i  .

Fig. 5(a)  H “ : r • ¸    o\    É r BNKT [ j b ” _  Ä »„   © œ Ã

º\  ¦
  · p  כ s  9, Fig. 5(b) K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r BNKT [

j b ” _   © œ„  s  “ : r • ¸\  ¦
  · p  כ s  . BNT [ j b ” _ 

 ©

œ„  s  “ : r • ¸  H 364

^◦

C s % 3 “ ¦ z  ´“ : r õ   © œ„  s  “ : r • ¸\ " f Ä »

„

  © œÃ º  H y Œ •y Œ • 450, 2254 s % 3  . í  H à ºô  Ç BNT [ j b ” “ É r z 

´“ : r \ " f y © œÄ »„   © œ`  ¦
 ? / 9, 230

^◦

C Â Ò   H \ " f y © œÄ »

„

  © œ\ " f ì ø Íy © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  % i Ü ¼ 9, 360

^◦

C Â Ò   H

\

" f ì ø Íy © œÄ »„   © œ\ " f  © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  % i   [15].

Fig. 5(b) \  ¶ ú š{ 9 ÷ &# Q e ”   H P-E s § 4 / B G‚  “ É r í  H à ºô  Ç BNT [

j b ” _  z  ´“ : r õ  200

^◦

C \ " f_  s § 4 / B G‚  s  . Na  o 

Fig. 5. (a) Dielectric constant of BNKT ceramics as a function of temperature (b) Phase transition tempera- ture of BNKT ceramics as a function of K ratio.

\

 K\  ¦ u  ¨ 8 Š ô  Ç BNKT [ j b ” \ " f• ¸ ¿ º t   © œ„  s  ‰ & ³



© œ`  ¦
 ? /% 3  . í  H à ºô  Ç BNT [ j b ” ˜ Ð  K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  7

£

x † < Ê\     BNKT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ º ° ú כ“ É r 7 £ x  

%

i Ü ¼ 9, x = 0.20 › ¸$ í \ " f þ j@ /° ú כ`  ¦
 ? /% 3  . [ j  b ”

_  Ä »„  Ö  ¦ \  % ò † ¾ Ó`  ¦ p u   H “   – Ѝ  H ± ú  · ú ˜_  ß ¼l , l  /

B

NÒ  ¦, ™ è  x 9 • ¸ü <    ½ ¨› ¸  © œ  s ü < ° ú  “ É r   & ñ ½ ¨› ¸& h 

“

  " é ¶ “  s  e ” `  ¦ à º e ” Ü ¼ 9, ± ú  · ú ˜_  ß ¼l  & t “ ¦, x 9 • ¸

 Z  }  | 9 à º2 Ÿ ¤ Ä »„   © œÃ º  H 7 £ x ô  Ç . { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð  © œ  â

>

% ò % i  Â Ò   H \ " f Ä »„   © œÃ º ° ú כs  7 £ x  Ù ¼– Ð  © œ  â > % ò % i 

“

  x = 0.15 ∼ 0.20 › ¸$ í \ " f BNKT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ º

° ú

כs  ß ¼>  7 £ x  % i  . z  ´+ « >\ " f K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  7 £ x ½ + Éà º 2

Ÿ ¤ BNKT [ j b ” _  x 9 • ¸  H 7 £ x    x = 0.15 ∼ 0.20

›

¸$ í \ " f þ j@ /° ú כ`  ¦
 ? /“ ¦, x = 0.25 › ¸$ í \ " f  r  y Œ ™

™

è   H  ⠆ ¾ Ó`  ¦
 ? /% 3 Ü ¼ 9, s  ‰ & ³ © œ“ É r K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\   

Fig. 6. Electromechanical coupling coefficient (k

₃₃

) and piezoelectric coefficient (d

₃₃

) of BNKT ceramics as a function of K ratio.

 É

r Ä »„   © œÃ º    oü < { 9 u    H  ⠆ ¾ Ó`  ¦
 ? /% 3  . K u 

¨ 8

Š | ¾ Ós  7 £ x ½ + Éà º2 Ÿ ¤ ì ø Íy © œÄ »„   © œ\ " f  © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð  © œ„   s

   H “ : r • ¸  H y Œ ™™ è   x = 0.20 › ¸$ í \ " f þ j™ è“ : r • ¸ 322

^◦

C\  ¦
 ? /% 3 “ ¦, x = 0.25 › ¸$ í \ " f 334

^◦

C – Ð  r  7

£

x    H  ⠆ ¾ Ó`  ¦
 ? /% 3  . s  ‰ & ³ © œ“ É r BNKT [ j b ” 

\

" f K ' ‘ | ¾ Ó\     rhombohedral  © œ\ " f tetragonal



© œÜ ¼– Ð  © œ„  s  l  M :ë  H s  .

Fig. 6“ É r K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r BNKT [ j b ” _  „  l l 

>

  ½ + Ë> Ã º (k

33

) ü < · ú š„  > à º (d

33

)\  ¦
 ? /% 3  . x = 0.15 ü < x = 0.20 › ¸$ í _  [ j b ” “ É r  © œ@ /& h Ü ¼– Ð Z  }“ É r „  l  l

>   ½ + Ë> Ã º (k

³³

) ü < · ú š„  > à º (d

³³

) ° ú כ`  ¦
 ? /% 3  .

{ 9

ì ø Í& h Ü ¼– Ð · ú š„   [ j b ” “ É r MPB % ò % i \ " f Z  }“ É r · ú š„   : £ ¤

$ í

`  ¦
  · p . Pb(Zr,Ti)O

³

(PZT)  H rhombohedral  © œ

“

  PbZrO

₃

ü < tetragonal  © œ“   PbTiO

₃

_  ¢ - a„   “ ¦6   x ^ ‰s  9,  © œ“ : r \ " f › ¸$ í q  (Zr/Ti)\     rhombohedral, or- thorhombic, tetragonal  © œÜ ¼– Ð ” > r F ô  Ç . Zr/Ti €  • 1 : 1“   › ¸$ í \ " f tetragonal  © œõ  rhombohedral  © œs  / B N” > r

  H MPB % ò % i s  ” > r F   9, s  › ¸$ í \ " f PZT [ j b ” 

“ É

r Z  }“ É r Ä »„   x 9  · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦ ° ú   H  . s ü < Ä » ô  Ç ½ ¨› ¸

\

 ¦ t   H BNKT [ j b ” \ " f• ¸ rhombohedral  © œ`  ¦ ° ú   H BNT ü < tetragonal  © œ`  ¦ ° ú   H BKT _  MPB % ò % i “   0.15 5 x 5 0.20 › ¸$ í \ " f Z  }“ É r · ú š„   : £ ¤$ í `  ¦
 ? /% 3 Ü ¼ 9, x

= 0.15 › ¸$ í \ " f Z  }“ É r „  l l >   ½ + Ë> à º (k

³³

∼ = 43 %) ü <

· ú

š„  > à º (d

33

∼ = 140 pC/N)\  ¦
 ? /% 3  .

IV. + s Ç Â ] Ø

K u  ¨ 8 Š | ¾ Ó\    É r Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

(x = 0, 0.15, 0.20, 0.25) Á ºƒ   · ú š„   [ j b ” `  ¦ “ ¦ © œ ì ø Í6 £ xZ O Ü ¼

–

Ð ] j› ¸ # Œ Ó ü t o & h  : £ ¤$ í `  ¦ › ¸  % i  . K u  ¨ 8 Š | ¾ Ós  7

£

x † < Ê\     BNKT [ j b ” “ É r rhombohedral  © œ\ " f tetragonal  © œÜ ¼– Ð  © œ„  s  % i Ü ¼ 9, x = 0.15 ∼ 0.20\ 

"

f  © œ  â > % ò % i  (MPB)s  ” > r F  % i  .  © œ  â > % ò % i \ 

"

f BNKT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ º (ε

r

), „  l l >    ½ + Ë>  Ã

º (k

33

), · ú š„  > à º (d

33

)  H þ j@ /° ú כ`  ¦
 ? /% 3 “ ¦, x = 0.15“   Bi

_0.5

(Na

_0.85

K

_0.15

)

_0.5

TiO

₃

[ j b ” _  „  l l >   

½

+ Ë> Ã º (k

33

)  H 43 %, · ú š„  > à º (d

33

)  H 140 pC/N s % 3 



.

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r í ß –\ O  " é ¶  Ò\ " f Å Ò › ' a   H  Ҿ ¡ § ™ èF l Õ ü t > h µ

1 Ï \ O  õ ] j\ " f t " é ¶`  ¦ ~ à ΀ Œ ¤_ þ v m  .

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] Y. Sieto, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Taka- tori, T. Homma, T. Nagaya and M. Nakamura, Na- ture 432, 84 (2004).

[2] T. Takenaka and H. Nagata, J. Eur. Ceram. Soc.

25, 2693 (2005).

[3] T. Takenaka, T. Okuda and K. Takegahara, Ferro- electrics 196, 175 (1997).

[4] J. Ravez and A. Simon, Materials Letters 36, 81 (1998).

[5] M. Kimura, T. Minamikawa, A. Ando and Y. Sak- labe, Jpn. J. Appl. Phys. 36, 6051 (1997).

[6] N. Kaeqkamnerd, T. Takenaka, K. Saklata and K.

Tada, Sensors and Materials 9, 47 (1997).

[7] H. Nagata and T. Takenaka, Jpn. J. Appl. Phys. 36, 6055 (1997).

[8] H. Nagata, M. Yoshida, Y. Makiuchi and T. Take- naka, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 7401 (2003).

[9] J. A. Zvirgads, P. P. Kapostins, J. V. Zvirgzde, T.

V. Kruzina, Ferroelectrics 40, 75 (1982).

[10] S. B. Vakhrushev, B. E. Kvyatkovsky, R. S. Maly- sheva, N. M. Okuneva, E. L. Plachenovs, P. P.

Syrnikov, Sov. Phys. Crystallography. 34, 89 (1989).

[11] S. E. Park, K. S. Hong, J. Appl. Phys. 79, 383 (1996).

[12] B. Jaff, Piezoelectric Ceramics, (Academic Press, London, 1971).

[13] C. F. Buhrer, J. Chem. Phys. 36, 798 (1962).

[14] F. S. Galasso, Structure, properties, and reparation

of peroveskite-type compounds, (Pergamon press,

Oxford, 1969).

[15] A. Sasaki, T. Chiba, Y. Mamiyai and E. Otuski,

Jpn. J. Appl. Phys. 38, 5564 (1999).

Dielectric and Piezoelectric Properties of Bi _0.5 (Na _1−x K _x ) _0.5 TiO ₃ Ceramics

Hyung Wook Kim, Sung Chul Kim and Byung Moon Jin Department of Physics, Dong Eui University, Busan, 614-714

Chang Won Ahn and Ill Won Kim

^∗

Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749

Young Hyeok Kim and Jae Shin Lee

School of Materials Science and Engineering. University of Ulsan, Ulsan 680-749 (Received 25 January, in final form 5 June 2006)

Pb(Zr,Ti)O

3

(PZT) is a well known material because its piezoelectric properties, such as its electromechnical coupling factor (k

33

), mechanical quality factor (Qm), and piezoelectric coeffi- cient (d

33

), are good. However, environmental concerns call for the avoidance of lead contents in electronic devices. In this study, we fabricated Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

(BNKT) ceramics and inves- tigated their dielectric and piezoelectric properties. The phase of the BNKT ceramics changed from rhombohedral to tetragonal with increasing potassium contents, and a morphotropic phase bound- ary (MPB) occurred in the potassium concentration range of x = 0.15 ∼ 0.20. The BNKT ceramics with a potassium content x = 0.15 had high electromechanical coupling (k

33

) and piezoelectric (d

33

) coefficients of 43 % and 140 pC/N, respectively.

PACS numbers: 77.84.-s, 77.84.Dy

Keywords: Bi

0.5

(Na

1−x

K

x

)

0.5

TiO

3

, Lead-free ceramic, Morphotropic phase boundary (MPB), Piezoelec- tricity

∗

E-mail: [email protected]