• Keine Ergebnisse gefunden

Chapter 2  Experimental procedure

2.1  Characterizing Methods

2.1.1 Powder characterization 

2.1.1.1 Particle size measurement 

       Particle size has a significant effect on the consolidation and sintering of the powder. In order  to compare different samples, similar particle size is required. The particle size distribution of the  powders was analyzed using laser light scattering (Malvern Mastersizer S, Herrenberg, Germany). 

The device uses light scattering to measure the equivalent spherical diameter of particles. The  powder was firstly dispersed in Isopropanol under ultrasonic treatment for 2 mins to break down  soft agglomerates. The results showed a Gaussian distribution. D50 stands for the volume median  diameter. D50 values were calculated and used to characterize the powders.  

2.1.1.2 Optical Emission Spectrometry with Inductively Coupled Plasma 

       Since the impurity elements had a very low concentration, a technique with high precision and  low detection limit is desirable. In the present work, the compositions of the raw materials were  analyzed by Optical Emission Spectrometry with Inductively Coupled Plasma (ICP‐OES) using a  Varian spectrometer (Varian Vista PRO, Springvale, Australia). 

2.1.1.3 X‐ray diffraction and Rietveld refinement   

X‐ray diffractometry (XRD) was employed to determine the phases present in the raw materials,  and in calcined and sintered samples. The XRD experiments were performed in a Philips PW1710  X‐ray diffractometer with a step scan of 0.02° and a count time of 1s. Profiles were collected using  filtered  Cu  Kα  radiation  with  a  wavelength  of  1.5406  Å.  Qualitative  phase  analysis  was  accomplished by comparison with JCPDS database (published by ICDD in 2004) for a matching  pattern. Some of the XRD data were processed with the software “Topas” (Bruker AXS, Karlsruhe)  based on Rietveld method that will be introduced in the Chapter 3. 

2.1.1.4 DTA TG   

Simultaneous differential thermal analysis (DTA) and thermo‐gravimetric analysis (TG) were  carried out by a Netzsch STA 449C equipment. The measurement was performed in air with a heat 

20 2.1 Characterizing Methods

rate of 10K/min to 850°C. The weight of each sample was approximately 0.2g, within small  variations.   

2.1.2 Characterization of sintered PZT ceramics 

2.1.2.1 SEM, EDS and Grain size measurement 

Scanning electron microscopy (Supra 25, Zeiss, Oberkochen, Germany) was used to observe the  microstructure in combination with energy dispersive X‐ray spectrometry (EDS) to determine the  local composition. To examine the polished surfaces of green samples or porous samples, they  were specially prepared to prevent damaging of microstructure from polishing. They were first  fixed by a holder and placed in a plastic bottle. After the bottle was evacuated for 15 mins, a  mixture of EpoHeat resin and EpoHeat hardener (Buehler GmbH, Düsseldorf, Germany) were  poured into it and infiltrated into pores in the samples. After curing at 60°C for 2 hours, the resin  cylinders with samples inside were polished with sand paper of 600 grades till the surface of the  samples appeared. The section was subsequently polished with sand paper 1200, 2500, 3μm  diamond suspension and 1μm diamond suspension. Then, the resin body was softened at 200°C on  a hot plate and the polished samples were taken out and thermally‐etched at 800°C for 1 hour.  

2.1.2.2 TEM and FIB   

Transmission electron microscopy (TEM, JEM‐2010, JEOL) was employed to analyze the thin film  on the grain boundaries of quenched samples as well as the crystalline nature of these phases. EDS  experiments were carried out with the EDAX instrument attached on the TEM column analysed  with Genesis Spectrum software (EDAX Inc., Mahwah, NJ 07430, USA). The sample was prepared  by the Focused Ion Beam (FIB) technique (Quanta 200 3D, FEI Company, Eindhoven, The  Netherlands). The instrument uses gallium ion source. The 30 kV Ga+ ions and beam current of 10  pA‐7nA were used to prepare the specimen. The working process was observed through an  electron microscope.  

2.1.2.3 XPS measurements 

X‐ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were performed on the fracture surfaces of sintered  samples. Monochromatic Al Kα x‐rays are used for the excitation of the sample. After the direct  measurement, the fractured surfaces were sputtered for different time and measured once more to  gain the information from near surface or bulk regions as well. Sputtering was done by a VG EX05  scanning ion gun with Ar+ ions. The erosion rate measured on SiO2/TiO2 multilayer material was  10nm per 100s sputtering time. In present study, a sputtering time of 20 s and 4020s were used.  

Chapter 2 Experimental procedure 21

2.1.2.4 Density measurement   

The density of samples was measured by Archimedes’s method with distilled water as liquid  medium. The temperature of each measurement was recorded, to use the respective density of  water. For each composition, three runs on three different samples were carried out. The average  and standard error were calculated.  

2.1.2.5 Dielectric properties and piezoelectric properties   

Silver paste with a diameter of 7.5 mm was printed on both sides of the discs and fired at 600°C to  form the electrodes. For dielectric and piezoelectric characterization, the specimens with electrodes  were polarized in silicon oil at 120°C for 5 min by applying an electric field of 2.1kV/mm. The  dielectric constants and electromechanical coupling factors were measured by the series resonance  and  parallel  resonance  method  using  a  precision  impedance  analyzer  Agilent  4294.  The  piezoelectric coefficient d33 was determined by a Berlincourt measurement device. All dielectric and  piezoelectric quantities reported are averages over at least 3 samples. 

fp: parallel resonance frequency; fs: series resonance frequency; C: capacitance; Zs: impedance at  resonance; A: electrode area; tD: thickness of the discs; ε0: the permittivity of free space, 8.85×10‐12  F/m 

2.1.2.6 Ferroelectric properties   

The P‐E (polarization vs. field) measurements were made by using a computer controlled Sawyer‐

Tower circuit with a four channel oscilloscope TDS460 (Tektronix Inc., USA). Investigations of the  P‐E hysteresis loop were performed as a function of AC drive excitation under a frequency of 5 Hz  (Frequency generator PM5138A, Fluke Corporation, USA) at room temperature. The AC electric  fields ranging from 5kV/cm to 30kV/cm were achieved by a high voltage amplifier (P0610, Trek  Inc., USA). The measurement was performed in air at room temperature.