Improvement the dielectric and impedance properties of Pb-free Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 piezoelectric materials modified by Fe2O3

• Published in: Eastern-European journal of enterprise technologies Vol. 4; no. 12 (130); pp. 49 - 57
• Main Authors: Effendi, Mukhtar, Rini, Nugraheni Puspita, Kurniawan, Candra, Cahyanto, Wahyu Tri, Widanarto, Wahyu
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 30.08.2024
• ISSN: 1729-3774; 1729-4061
• DOI: 10.15587/1729-4061.2024.307930

The focus of this study is on the Fe2O3-doped Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 piezoelectric material. This is important to find ecologically acceptable piezoelectric materials. This research aims to obtain a lead-free piezoelectric material because lead is a material that is not environmentally friendly. An alternative solution is a piezoelectric material based on BNT-ST, which in this case is doped with Fe2O3 material. The study of Fe2O3 doped Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 piezoelectric material prepared by the solid-state reaction method was carried out to determine the optimum composition of the material formed. Doping variations are 0; 2.5; 5; 7.5; and 10 in mol %. The examinations were performed using X-ray diffraction (XRD) spectroscopy, a Scanning Electron Microscope (SEM), and an LCR meter. The Fe2O3 doped Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 produced a new compound in the form of FeBi5Ti3O15-Na2Ti3O7-SrTiO3 with the crystal structure of cubic, orthorhombic, and monoclinic, as well as the increasing crystalline size with the addition of dopants, exclude at 5 mol % and 7.5 mol %. FeBi5Ti3O15-Na2Ti3O7-SrTiO3 also produces varying particle sizes, which are between 0.88–8.23 µm. From the obtained data, the optimum composition of Fe2O3 doped Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 was the 2.5 mol % of Fe2O3 due to it having the highest dielectric constant (er ) and temperature Curie (Tc ), and also the lowest material impedance (Z) with the er of 12.037 at Tc of 400 °C and Z of 135 kΩ. The high piezoelectricity, which is indicated by the high value of the dielectric constant and Curie temperature, is possible due to the presence of a greater number of sodium ions in the Na2Ti3O7 phase. Sodium ions are ions with good electrical storage capabilities. The increase in dielectric constant in the BNT-ST piezoelectric obtained by the addition of Fe2O3 shows that this material can be used as a substitute for lead-based piezoelectric materials so that it is secure for the environment. The piezoelectric material of BNT-ST doped with Fe2O3 earned from this research can be applied to obtain electricity with a optimal value when given mechanical pressure У центрі уваги цього дослідження – п’єзоелектричний матеріал Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3, легований Fe2O3. Це важливо для пошуку екологічно прийнятних п'єзоелектричних матеріалів. Ці дослідження спрямовані на отримання п’єзоелектричного матеріалу, що не містить свинцю, оскільки свинець є екологічно нешкідливим матеріалом. Альтернативним рішенням є п’єзоелектричний матеріал на основі Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3, який у даному випадку легований матеріалом Fe2O3. Для визначення оптимального складу утвореного матеріалу проведено дослідження легованого Fe2O3 п’єзоелектричного матеріалу Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3, виготовленого методом твердофазної реакції. Варіації легування дорівнюють 0; 2,5; 5; 7,5; і 10 в мол.%. Дослідження проводили за допомогою рентгенівської дифракційної спектроскопії, скануючого електронного мікроскопа і LCR-метра. Fe2O3, допований Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3, утворив нову сполуку у формі FeBi5Ti3O15-Na2Ti3O7-SrTiO3 з кубічною, орторомбічною та моноклінною кристалічною структурою, а також збільшенням розміру кристалів із додаванням легуючих добавок, виключаючи при 5% моль і 7,5% моль. FeBi5Ti3O15-Na2Ti3O7-SrTiO3 також утворює різні розміри частинок, які становлять 0,88–8,23 мкм. З отриманих даних оптимальний склад Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3, легованого Fe2O3, становив 2,5 мол.% Fe2O3 через те, що він має найвищу діелектричну проникність (er) і температуру Кюрі (Tc), а також найнижчий імпеданс матеріалу (Z) з er 12,037 при Tc 400 °C і Z 135 кОм. Висока п'єзоелектричність, про яку свідчить високе значення діелектричної проникності та температури Кюрі, можлива завдяки наявності більшої кількості іонів натрію у фазі Na2Ti3O7. Іони натрію є іонами з хорошою електричною здатністю накопичувати. Збільшення діелектричної проникності в п’єзоелектрику BNT-ST, отриманому шляхом додавання Fe2O3, показує, що цей матеріал можна використовувати як замінник п’єзоелектричних матеріалів на основі свинцю, щоб він був безпечним для навколишнього середовища. П’єзоелектричний матеріал BNT-ST, легований Fe2O3, отриманий у результаті цього дослідження, може бути застосований для отримання електроенергії з оптимальним значенням при механічному тиску