Structural and electrical properties of Zr-doped K0.48Na0.52NbO3 ceramics: “Hard” lead-free piezoelectric

Abstract

The structural and electrical properties of K0.48Na0.52Nb1−xZrxO3−δ (x = 0–0.04) ceramics prepared by the conventional solid-state reaction method were studied. Pellets with composition x ≤ 0.03 sintered at 1125 °C for 2 h showed single-phase of potassium sodium niobate (KNN) perovskite structure. Based on X-ray diffraction and Raman results, a mixture of orthorhombic and monoclinic phases was observed in intermediate compositions. The addition of Zr improved the sinterability and the “hard” piezoelectric properties of KNN, increasing the Ec and Qm values. The composition with x = 0.03 presented the highest permittivity at room temperature, ɛr′ = 363 and the lowest dielectric losses, tan δ = 0.027. Moreover, it was the sample with the highest Qm and d33 values, with Qm = 1781 and d33 = 82 pC/N. It was therefore the best compositions to obtain a “hard” piezoelectric material based on Zr-doped KNN, which makes it promising candidate for use as “hard” lead-free piezoelectric material for high power applications.

Se estudiaron las propiedades estructurales y eléctricas de cerámicas basadas en K0,48Na0,52Nb1−xZrxO3−δ (x = 0-0,04) preparadas por el método convencional de reacción en estado sólido. Las pastillas sinterizadas a 1.125 °C durante 2 h con composición x ≤ 0,03 mostraron una estructura monofásica de perovsquita del óxido mixto de niobio, potasio y sodio (KNN). Según los resultados de difracción de rayos X y Raman, se observó una mezcla de fases ortorrómbica y monoclínica en las composiciones intermedias. La adición de Zr mejoró la sinterización y las propiedades piezoeléctricas «duras» de KNN, aumentando los valores de EC y Qm. La composición con x = 0,03 presentó la mayor permitividad a temperatura ambiente (ɛr′ = 363) y las menores pérdidas dieléctricas (tan δ = 0,027). Además, fue la muestra con los valores más altos de Qm y d33, con Qm = 1.781 y d33 = 82 pC/N. Por tanto, esta fue la mejor composición para obtener un material piezoeléctrico «duro» basado en KNN dopado con Zr, lo que le convierte en un candidato prometedor para su uso como material piezoeléctrico «duro» sin plomo en aplicaciones de alta potencia.