CCTO

การปรับปรุงสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 เพื่อใช้ในอุปกรณ์วาริสเตอร์และตัวเก็บประจุ

  • ความสำคัญและที่มาของงานวิจัย

การประดิษฐ์เครื่องมือสื่อสารและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วที่เปี่ยมไปด้วยประสิทธิภาพในการทำงานได้มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง การลดขนาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายในเป็นวิธีการที่จะสามารถลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ได้ วัสดุไดอิเล็กตริกเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุไฟฟ้า (capacitor) และสิ่งประดิษฐ์ความจำ (memory devices) วิธีการลดขนาดอุปกรณ์ต่างๆ เหล่านี้ส่วนหนึ่งก็คือการลดขนาดของชั้นวัสดุไดอิเล็กติกนั่นเอง [1] วิธีการที่จะสามารถลดขนาดแต่สามารถคงคุณสมบัติของอุปกรณ์เหล่านี้ได้คือการเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (ε′) ของวัสดุที่ใช้ นอกจากนี้แล้วคุณสมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุที่นำมาประดิษฐ์เป็นชั้นไดอิเล็กตริกต้องเป็นวัสดุที่มีความเสถียรทางความร้อนที่ดี มีค่าการสูญเสียทางไดอิเล็กตริก (tanδ) ที่ต่ำ และไม่มีตะกั่วเป็นองค์ประกอบ [2]    

วัสดุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับความต้องการมากที่สุดคือวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 เป็นวัสดุที่มีค่า ε′~103-105 ซึ่งที่สูงมากเมื่อเทียบกับวัสดุไดอิเล็กตริกจำพวกเฟอร์โรอิเล็กตริก (ε′~103 และมีค่าที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิเป็นอย่างมากในช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟส) รวมทั้งมีค่าเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิน้อยมากในช่วง 100-600 K [3] การสังเคราะห์วัสดุ CaCu3Ti4O12 ใช้อุณหภูมิต่ำ (1020-1100 oC) เมื่อเทียบกับการสังเคราะห์วัสดุเฟอร์โรอิเล็กตริก (>1300 oC) เมื่อพิจารณาในแง่มุมของการประยุกต์ใช้เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้า วัสดุ CaCu3Ti4O12 จึงเป็นวัสดุที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง นอกจากนี้แล้ววัสดุ CaCu3Ti4O12 ยังเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้น โดยมีศักยภาพสูงสำหรับประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์วาริสเตอร์ (varistor devices) [4] อย่างไรก็ตาม วัสดุ CaCu3Ti4O12 ยังคงมีค่า tanδ ที่สูง (tand > 1.0 ที่ความถี่ 1 kHz) เกินกว่าค่ามาตรฐานของ The Electronics Industries Alliance (EIA) โดยค่า tand ที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานจริงควรมีค่าน้อยกว่า 0.03

โครงงานนี้จึงมุ่งเน้นการปรับปรุงสมบัติทางวาริสเตอร์และสมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุ CaCu3Ti4O12 งานวิจัยในส่วนแรก ได้ศึกษาสมบัติต่างๆ ของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 ที่เจือด้วยไอออนของโลหะต่างๆ เช่น Sm Na La Sr Ga Ba Tb W Ta และ Mo เพื่อแทนที่ตำแหน่งของ Ca, Cu, และ Ti ในโครงสร้างผลึก ในส่วนที่สองของโครงการได้ปรับปรุงสมบัติต่างๆ ของ CaCu3Ti4O12 โดยการทำคอมโพสิตกับ CaTiO3 ซึ่งเป็นวัสดุที่มีค่า tand ที่ต่ำมาก

แม้ว่าการอธิบายสาเหตุของวัสดุ CaCu3Ti4O12 ที่แสดงคุณสมบัติการมีค่า ε′ ที่สูงมากยังคงเป็นหัวข้อที่ยังถกเถียงกันอยู่จนถึงปัจจุบัน แต่งานวิจัยส่วนมากเชื่อว่ามีความเกี่ยวพันธ์กับสมบัติทางไฟฟ้าที่ขอบเกรน ดังนั้นจากผลการศึกษาอิทธิพลของสารเจือที่ส่งผลต่อสมบัติทางไดอิเล็กตริกและคุณสมบัติความไม่เป็นเชิงเส้นทางไฟฟ้าคาดว่าจะสามารถสร้างแบบจำลองอย่างง่ายของความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางไดอิเล็กตริกกับพฤติกรรมของความไม่เป็นเชิงเส้นได้ และสามารถเชื่อมโยงถึงจุดเริ่มต้นของการมีค่า ε′  ที่สูงมากในวัสดุ CaCu3Ti4O12 ได้

 

  • วัตถุประสงค์ของการวิจัย
    • เพื่อปรับปรุงสมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 ให้เหมาะสมกับการใช้งานจริง โดยการเจือด้วยไอออนโลหะ Sm Na La Sr Ga Ba Tb W Ta Mo และสังเคราะห์วัสดุคอมโพสิต CaCu3Ti4O12/CaTiO3 และ MgO
    • เพื่อศึกษาผลของการเจือและการทำคอมโพสิตที่มีต่อโครงสร้างทางจุลภาค สมบัติทางไดอิเล็กตริก และพฤติกรรมความไม่เป็นเชิงเส้นทางไฟฟ้าระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า
    • เพื่ออธิบายสาเหตุและกลไกของการมีค่า ε′ ที่สูงมากของวัสดุ CaCu3Ti4O12

ผลการวิจัยในโครงการวิจัยนี้สามารถสรุปได้ 3 แนวทางหลัก ดังนี้

1)  ผลการวิจัยที่สามารถปรับปรุงสมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12

วัสดุที่เหมาะสมสำหรับประดิษฐ์เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าชนิดเซรามิกกลุ่ม 2 และ 3 จะต้องมีค่า ε′ สูง (ε′ > 2000) และจะต้องมีค่า tand ที่ต่ำตรงตามค่ามาตรฐาน (tanδ < 0.03) ในปัจจุบัน CaCu3Ti4O12 เป็นวัสดุที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีค่า ε′ ที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม CaCu3Ti4O12 ยังคงมีค่า tanδ ที่สูงเกินกว่าค่ามาตรฐานค่อนข้างมาก tanδ > 1.0  (หรือเกินกว่าค่ามาตรฐาน 25 เท่าหรือมากกว่า) จากการผลศึกษาวิจัยในโครงการวิจัยนี้ ได้ค้นพบวิธีการปรับปรุงเพื่อลดค่า tanδ ของวัสดุ CaCu3Ti4O12 อย่างมีประสิทธิภาพ 3 วิธี ดังนี้

วิธีที่ 1 การเจือวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 ด้วยไอออนของโลหะต่างๆ (เช่น Sr2+ La3+ Sm3+ และ Ba2+) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเจือไอออนของ La3+ ลงในวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 ได้ส่งผลให้ค่า tand ลดลงถึง 0.012 และค่า ε′ มีการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิน้อยมาก ซึ่งถือได้ว่าเป็นคุณสมบัติที่ต้องการสำหรับการประยุกต์ใช้งานเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้า

 รูปที่ 1 ค่า ε′ และ tanδ ของวัสดุ CaCu3Ti4O12 เจือด้วยไอออน La3+

วิธีที่ 2 การประดิษฐ์วัสดุประกอบ หรือวัสดุคอมโพสิต (Composite materials) ที่มี CaCu3Ti4O12 เป็นวัสดุหลัก และใช้วัสดุเซรามิกที่มีค่า tanδ ที่น้อยเป็นวัสดุเสริม เช่น CaTiO3 ซึ่งจากผลการศึกษาวิจัยพบว่า ค่า tanδ ของวัสดุคอมโพสิต CaCu3Ti4O12/CaTiO3 มีค่าที่ต่ำมาก โดยมีค่าประมาณ 0.018-0.021

รูปที่ 2 สมบัติทางไดอิเล็กตริกของวัสดุคอมโพสิต CaCu3Ti4O12/CaTiO3

วิธีที่ 3 การสังเคราะห์วัสดุเซรามิกที่มีโครงสร้างผลึกคล้ายกับวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 ชนิดใหม่ เช่นวัสดุเซรามิก Na1/2Sm1/2Cu3Ti4O12 โดยวัสดุดังกล่าวนี้มีค่า tanδ อยู่ในช่วง 0.030-0.041 ตามลำดับ และมีค่า ε′ อยู่ในช่วง 103-104

๒) ผลการวิจัยที่สามารถอธิบายสาเหตุของการมีค่า ε′ ที่สูงมากของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12

จากผลการศึกษาในโครงการวิจัยนี้ พบว่าการมีค่า ε′ ที่สูงมากของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12 เกิดขึ้นเนื่องจากกลไกของการตอบสนองทางไฟฟ้าที่ขอบเกรน (grain boundary) ในงานวิจัยนี้ได้ใช้แบบจำลองการตอบสนองทางไฟฟ้าที่ขอบเกรนอธิบายกลไกกระบวนการรีแลกเซชันทางไดอิเล็กตริก (dielectric relaxation) ในวัสดุ CaCu3Ti4O12 พบว่า แบบจำลองสามารถอธิบายผลการทดลองและพฤติกรรมต่างๆ ที่เกี่ยวข้องได้อย่างดียิ่ง

รูปที่ 3 พฤติกรรมการรีแลกเซชันทางไดอิเล็กตริกของวัสดุ CaCu3Ti4O12 ที่เจือด้วย W

3)  ผลการวิจัยที่สามารถปรับปรุงสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเซรามิก CaCu3Ti4O12

สมบัติของความไม่เป็นเชิงเส้นทางไฟฟ้าระหว่างกระแสไฟฟ้า (I) และความต่างศักย์ไฟฟ้า (V) สามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์วารีสเตอร์ได้ โดยเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการปกป้องวงจรไฟฟ้าจากการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของความต่างศักย์ไฟฟ้า วัสดุสำหรับประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์     วารีสเตอร์จะต้องมีค่าสัมประสิทธิ์ความไม่เป็นเชิงเส้น (α) มากกว่า 30 (ในช่วงความหนาแน่นกระแส = 1-10 mA/cm2) โดยทั่วไปแล้ววัสดุ CaCu3Ti4O12 มีค่า α < 10 จากผลการทดลองในงานวิจัยนี้สามารถเพิ่มค่า α ได้สูงถึง 29.67 ซึ่งถือได้ว่าเป็นค่าสูงสุดสำหรับวัสดุ CaCu3Ti4O12 ที่เจือด้วยไอออนต่างๆ โดยการเพิ่มค่า α สามารถทำได้โดยการเจือด้วยไอออนของ Tb เพื่อปรับปรุงศักย์ไฟฟ้าสถิตที่ขอบเกรน

รูปที่ 4 J-E ของวัสดุ Ca1-3x/2TbxCu3Ti4O12

เอกสารอ้างอิง

[1] Homes CC, Vogt T, Shapiro SM, Wakimoto S, Ramirez AP. Science 2001; 293: 673.

[2] Wu J, Nan CW, Lin YH, Deng Y. Phys. Rev. Lett. 2002; 89: 217601.

[3] Subramanian MA, Li D, Duan N, Reisner BA, Sleight AW. J. Solid State Chem. 2000; 151: 323.

[4] Chung SY, Kim ID, Kang SJL. Nat. Mater. 2004; 3: 774.

 

หัวข้อวิจัย