BaTiO3의 입계구조와 입자성장에 미치는 P2O5의 영향

Abstract

P2O5가 doping된 BaTiO3의 입자성장양상을 1250℃에서 소결분위기에 따라 관찰하였다. wet 99.93N2-0.07H2 분위기에서 소결하였을 경우, pure BaTiO3 시편에서는 stagnant한 입자성장양상을 보였지만 P2O5를 포함하는 BaTiO3 시편에서는 비정상입자성장이 일어났다. 그리고 대부분의 비정상입자들은 {111} twin lamellae를 갖고 있었고, P2O5의 함량이 증가함에 따라 비정상입자의 개수도 증가하였다. 산소분압이 wet 99.93N2-0.07H2에서 Air로 증가함에 따라 twin lamellae를 갖는 비정상입자의 개수가 증가하였다. 반면에 수소분위기에서 소결하였을 경우, 정상입자성장양상이 나타났고 평균입자크기는 P2O5 함량에 따라 크게 달라지지 않았다. X-ray diffraction과 TEM-EDS로 분석한 결과, P2O5가 doping된 BaTiO3 시편내에 Ba6Ti17O40 이차상이 존재함을 확인하였고 그 양은 소결분위기와는 관계없이 P2O5의 함량에 따라 증가하는 경향을 보였다. TEM으로 입계구조를 관찰한 결과, P2O5의 doping 여부와 관계없이 모든 시편에서 수소분위기에서는 rough한 구조를 가지고 wet 99.93N2-0.07H2 분위기에서는 partially facet한 입계를 가지는 것을 확인하였다. 이 결과들은 P2O5가 Ba6Ti17O40 이차상의 생성을 유도한다는 것을 보여주며, 이는 phosphor가 titanium과 replace되기 때문이라고 생각된다. 이전 연구[Acta mater.49:1373-1381(2001)] 에서 Ba6Ti17O40 particle이 {111} twin 생성의 원인임을 밝혔다. 따라서 P2O5의 함량이 증가함에 따라 twin lamellae를 갖는 비정상입자의 개수가 증가하는 것은 {111}twin을 Ba6Ti17O40 이차상의 양이 증가하기 때문이라고 생각된다. 소결분위기의 산소분압이 증가함에 따라 twin lamellae를 갖는 비정상입자의 개수가 증가하는 것은 각진입계의 비율이 증가하였기 때문이라고 생각된다. 그러므로 P2O5는 Ba6Ti17O40 이차상의 생성을 유도하여 {111} twin lamellae를 갖는 비정상입자가 나타나게하는 경향이 있다고 할 수 있다. 그리고 {111} twin lamellae를 갖는 비정상입자들의 개수는 P2O5의 함량이 증가할수록, 그리고 소결분위기의 산소분압이 증가할 수록 증가하는 경향이 있다고 할 수 있다.