Steklo i Keramika (Glass and Ceramics). Monthly scientific, technical and industrial journal

 

ISSN 0131-9582 (Online)

  • Continuous numbering: 1154
  • Pages: 47-56
  • Share:

Heading: Not-set

In the present study, we presented a review progress in sol-gel method for the synthesis of powders of ferroelectric ceramics of the PbTiO3–PbZrO3 system, based on the controlled hydrolysis of mixtures of salts or organometallic compounds of lead, zirconium, and titanium. To obtaining materials of the PbTiO3–PbZrO3 system, the main attention is paid to the sol-gel conditions, the heat treatment conditions, the raw materials, the obtaining the precursor conditions, the gels drying, and the PbTiO3–PbZrO3 powder crystallization.

Nadezhda D. Paramonova – Junior Researcher at the Laboratory of Synthesis and Research of New Materials, Joint Stock Company “Research Institute of Structural Materials Based on Graphite “NIIgrafit” (JSC “NIIgrafit”); Postgraduate Student of the Department of Chemical Technology of Ceramics and Refractories, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (MUCTR), Moscow, Russia
Egor A. Danilov – PhD Chem. Sciences, Head of the Laboratory of Synthesis and Research of New Materials, Joint Stock Company “Scientific Research Institute of Structural Materials Based on Graphite “NIIgrafit” (JSC “NIIgrafit”), Moscow, Russia

1. Головнин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В., Педько Б. Б. Пьезоэлектрическая керамика: применение, производство, перспективы // Вестник ТвГУ. Сер. Физика. 2010. Вып. 11. С. 47 – 58.
2. Shur V. Y., Blankova E. B., Subbotin A. L., et al. Infuence of crystallization kinetics on texture of sol-gel PZT and BST thin films // Journal of the European Ceramic Society. 1999. No. 19. P. 1391 – 1395.
3. Панич А. А., Мараховский М. А., Мотин Д. В. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики // Инженерный вестник Дона. 2011. № 1. С. 53 – 64.
4. Головнин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В. и др. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. М.: Техносфера, 2016. С. 217.
5. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства. М.: Энергоатомиздат, 2011. 175 с.
6. Tsai C., Chien Y., Hong C., et al. Study of Pb(Zr0,52Ti0,48)O3 microelectromechanical system piezoelectric accelerometers for health monitoring of mechanical motors // Journal of the American Ceramic Society. 2019. No. 102(7). P. 4056 – 4066.
7. Mohammadi V., Mohammadi S., Barghi F. Piezoelectric pressure sensor based on enhanced thin-film PZT diaphragm containing nanocrystalline powders. Piezoelectric materials and devices – practice and applications. InTech. 2013. P. 113 – 138.
8. Zarycka A., Brus B., Ilczuk J., et al. The internal friction background in PZT ceramics obtained by the sol-gel method // Materials Science-Poland. 2007. V. 25, Nо. 3. P. 869 – 874.
9. Noheda B., Cox D. E., Shirane G., et al. A monoclinic ferroelectric phase in the Pb(Zr1-xTix)O3 solid solution // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. P. 2059.
10. Богданов А. И. Теоретическое исследование структурной неупорядоченности в цирконате-титанате свинца: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / А. И. Богданов. Иркутск, 2017. 89 с.
11. Старицын М. В., Федосеев М. Л., Каптелов Е. Ю. и др. Изменение структуры субмикронных пленок ЦТС при тонком варьировании состава в области морфотропной фазовой границы // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2021. Вып. 13. С. 400 – 410.
12. Старицын М. В., Федосеев М. Л., Киселев Д. А. и др. Сегнетоэлектрические свойства тонких пленок цирконата-титаната свинца, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления, в области морфотропной фазовой границы // Физика твердого тела. 2023. Т. 65, Вып. 2. С. 296 – 301.
13. Шикина В. Е. Пьезоэлектрические материалы для изготовления измерительного преобразователя расхода жидких сред // Вестник УлГТУ. 2018. № 3(83). С. 42 – 44.
14. Liu Y., Zeng A., Zhang S., et al. An experimental investigation on polarization process of a PZT-52 tube actuator with interdigitated electrodes // Micromachines. 2022. Nо. 13(10). Р. 1760.
15. Нагаенко А. В., Панич А. Е. Нанопьезокерамика простейших систем ЦТС // Материалы V Международной научно-технической конференции INTERMATIC – 2007, часть 1, 23 – 27 октября 2007 г., Москва. С. 144 – 147.
16. Спиридонов Н. А., Гусакова Л. Г., Погибко В. М. и др. Формирование электрофизических свойств пьезокерамики на основе ЦТС, полученной из нанодисперсных порошков // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. 2012. Т. 10, № 1. С. 115 – 122.
17. Клето Г. И., Мартынюк Я. В., Савчук А. И. и др. Наноразмерные сегнетоэлектрические пленки для интегральных запоминающих элементов // Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. 2009. Т. 7, № 1. С. 65 – 71.
18. Verardi P., Dinescu M., Craciun F. Pulsed laser deposition and characterization of PZT thin films // Applied Surface Science. 2000. Nо. 154–155. P. 514 – 518.
19. Котова Н. М., Воротилов К. А., Серегин Д. С., Сигов А. С. Роль прекурсоров в процессе формирования тонких пленок цирконата-титаната свинца // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 6. С. 661 – 666.
20. Ching-Chang Chung. Microstructural evolution in lead zirconate titanate (PZT) piezoelectric ceramics: Ph.D., University of Connecticut, 2014. 252 с.
21. Roxana M. Piticescu, Ana Maria Moisin, D. Taloi, et al. Hydrothermal synthesis of ultradisperse PZT powders for polar ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2004. V. 24, Is. 6. P. 931 – 935.
22. Нестеров А. А., Панич А. А., Свирская С. Н. и др. Влияние характеристик частиц шихты на электрофизические параметры пьезокерамического материала ЦТС-36 // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3. С. 1 – 8.
23. Нестеров А. А., Панич А. Е., Свирская С. Н. и др. Технологические приемы повышения точки Кюри пьезофаз системы ЦТС // Инженерный вестник Дона. 2012. № 2. С. 370 – 373.
24. Пустовая Л. Е., Нестеров А. А., Криков В. В., Пахомов А. С. Синтез методом «химической сборки» наноразмерных порошков пьезофаз, используемых для изготовления пьезокерамики // Вестник ДГТУ. 2010. Т. 10, № 7(50). С. 1052 – 1056.
25. Максимов А. И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов. СПб.: Изд-во «Элмор». 2008. 255 с.
26. Sanchez C., Livage J., Henry M., Babonneau F. Chemical modification of alkoxide precursors // Journal of Non-Crystalline Solids. 1988. V. 100, Nо. 1 – 3. P. 65 – 76.
27. Peer L?bmann, Uta Lange, Walther Glaubitt, et al. Thin films and aerogels: sol-gel-derived piezoelectric materials // Key Engineering Materials. 2002. Nо. 224 – 226. P. 613 – 618.
28. Sangsubun C., Watcharapasorn A., Naksata M., et al. Preparation of sol-bonded lead zirconate titanate ceramics via sol-gel and mixed-oxide methods // Ferroelectrics. 2007. Nо. 356. P. 197 – 202.
29. Stancu V., Sava F., Lisca M., et al. Comparison between PZT thin films deposited on stainless steel and on platinum/silicon substrate // Journal of Physics: Conference Series. 2008. Nо. 94. P. 012012.
30. Jianlin Luo, Chunwei Zhang, Lu Li, et al. Intrinsic sensing properties of chrysotile fiber reinforced piezoelectric cement-based composites // Sensors. 2018. Nо. 18(9). P. 2999.
31. Chamankar N., Khajavi R., Yousefi A. A., et al. Comparing the piezo, pyro and dielectric properties of PZT particles synthesized by sol-gel and electrospinning methods // J Mater Sci: Mater Electron. 2019. Nо. 30. P. 8721 – 8735.
32. Ion E.-D., Malic B., Kosec M. Characterization of PbZrO3 prepared using an alkoxide-based sol-gel synthesis route with different hydrolysis conditions // Journal of the European Ceramic Society. 2007. Nо. 27. P. 4349 – 4352.
33. Chilibon I., Marat-Mendes J. N. Ferroelectric ceramics by sol-gel methods and applications: A review // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2012. Nо. 64. P. 571 – 611.
34. Sharma P. K., Ounaies Z., Varadan V. V., Varadan V. K. Dielectric and piezoelectric properties of microwave sintered PZT // Smart materials and structures. 2001. Nо. 10. P. 878 – 883.
35. Faheem Y., Shoaib M. Sol-Gel processing and characterization of phase-pure lead zirconate titanate nano-powders // J. Am. Ceram. Soc. 2006. Nо. 89(6). P. 2034 – 2037.
36. Jae-Seob Hwang, Woo Sik Kim, Hyung-Ho Park, Tae-Song Kim. Sol-gel mechanism of self-patternable PZT film starting from alkoxides precursors // Journal of the Korean Ceramic Society. 2003. V. 40, No. 4. P. 385 – 392.
37. Cui Y., Gu W., Kong X., et al. Study of acetic acid addition on properties of PZT films prepared by sol-gel method // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. No. 30. P. 9194 – 9199.
38. Komarneni S., Abothu I. R., Prasada Rao A. V. Sol-gel processing of some electroceramic powders // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1999. No. 15. P. 263 – 270.
39. Coffman P. R., Dey S. K. Structure evolution in the PbO–ZrO2–TiO2 sol-gel system: Part I. Characterization of prehydrolyzed precursors // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1994. No. 1. P. 251 – 265.
40. Sangsubun C., Naksata M., Watcharapasorn A., et al. Preparation of PZT nanopowders via sol-gel processing // Journal Special Issue on Nanotechnology. 2005. No. 4(1). P. 53 – 58.
41. Suarez-Gomez A., Sato-Berru R., Toscano R. A., et al. On the synthesis and crystallization process of nanocrystalline PZT powders obtained by a hybrid sol-gel alkoxides route // Journal of Alloys and Compounds. 2008. No. 450. P. 380 – 386.
42. Mirzaei A., Bonyani M., Torkian S. Synthesis and characterization of nanocrystalline PZT powders: From sol to dense ceramics // Processing and Application of Ceramics. 2016. No. 10(1). P. 9 – 16.
43. De-Qing Z., Shao-Jun W., Hong-Shan S., et al. Synthesis and mechanism research of an ethylene glycol-based sol-gel method for preparing PZT nanopowders // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2007. No. 41(2). P. 157 – 161.
44. A. Khorsand Zak, W. H. Abd. Majid Characterization and X-ray peak broadening analysis in PZT nanoparticles prepared by modified sol-gel method // Ceramics International. 2010. No. 36. P. 1905 – 1910.
45. Linardos S., Zhang Q., Alcock J. R. Preparation of sub-micron PZT particles with the sol-gel technique // Journal of the European Ceramic Society. 2006. No. 26. P. 117 – 123.
46. Клименков Б. Д. Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических пленках // Молодой ученый. 2016. № 2(106). С. 162 – 165.
47. Ma Y., Song J., Wang X., et al. Synthesis, microstructure and properties of magnetron sputtered lead zirconate titanate (PZT) thin film coatings // Coatings. 2021. No. 11(8). P. 944.
48. Xu Z. J., Chu R. Q., Li G. R., et al. Preparation of PZT powders and ceramics via a hybrid method of sol-gel and ultrasonic atomization // Materials Science and Engineering: B. 2005. No. 117(2). P. 113 – 188.
49. Jacob K. S., Panicker N. R., Selvam I. P., Kumar V. Sol-gel synthesis of nanocrystalline PZT using a novel system // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2003. No. 28(3). P. 289 – 295.
50. Seyed Mohammad Taheri Otaqsara, Ali Azam Khosravi, Reza Tabarzadi. Sol-gel synthesis and piezoelectric and structural properties of Zr-rich PZT nanoparticles // J. Nanostruct. 2019. No. 9(4). P. 650 – 658.
51. Wu A., Vilarinho P. M., Salvado I. M., Baptista J. L. Sol-gel preparation of lead zirconate titanate powders and ceramics: effect of alkoxide stabilizers and lead precursors // Journal of the American Ceramic Society. 2000. V. 83, No. 6. P. 1379 – 1385.
52. Rivera-Ruedas M. G., Flores-Noria J. R., Garcia Rodriguez F. J., et al. PZT ferroelectric ceramics obtained by sol-gel method using 2-metoxyethanol route for pyroelectric sensors // Materials Research Innovations. 2009. V. 13, No. 3. P. 375 – 378.
53. Futai N., Matsumoto K., Shimoyama I. Fabrication of high-aspect-ratio PZT thick film structure using sol-gel technique and SU-8 photoresist // Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). 2002. P. 168 – 171.
54. Huang C. L., Chen B. H., Wu L. Application feseability of Pb(Zr,Ti)O3 ceramics fabricated from sol gel derived powders using titanium and zirconium alkoxides // Mater. Res. Bull. 2004. No. 39. P. 523 – 532.
55. Chang T. I., Haung J. L., Lin H. P., et al. Effect of drying temperature on structure, phase formation, sol-gel derived lead zirconate titanate powders // J. Alloys Compd. 2006. V. 414. P. 224 – 229.
56. Evcin A., Akpinar S., Kucuk A., Kepekci D. B. Sol-gel synthesis of PZT powders by microwave sintering // International Ceramic, Glass, Porcelain Enamel, Glaze and Pigment Congress. 2009. P. 681 – 686.
57. Bhaskar A., Chang T. H., Chang H. Y., Cheng S. Y. Low-temperature crystallization of sol-gel-derived lead zirconate titanate thin films using 2.45 GHz microwaves. Thin solid films. 2007. No. 515(5). P. 2891 – 2896.
58. Raju K., Venugopal Reddy P. Synthesis and characterization of microwave processed PZT material // Current Applied Physics. 2010. No. 10(1). P. 31 – 35.
59. Gelfuso M. V., Teixeira F. N., Thomazini D. Microwave synthesis of PZT based ceramics // Ceramica. 2007. No. 53(327). P. 309 – 313.
60. Li Q., Wang X., Wang F., et al. Effect of neodymium substitution on crystalline orientation, microstructure and electric properties of sol-gel derived PZT thin films // Ceramics International. 2018. No. 44(7). P. 7709 – 7715.
61. Concalves M. D., Souza F. L., Longo E., et al. Dielectric characterization of microwave sintered lead zirconate titanate ceramics // Ceramic International. 2016. No. 42. P. 14423 – 14430.
62. Bodkhe S. Solvent evaporation-assisted three-dimensional printing of piezoelectric sensors from polyvinylidene fluoride and its nanocomposites. PhD. Montreal University. 2017. 163 p.
63. Bel Hadj Tahar R., Bel Hadj Tahar N., Ben Salah, A. Low-temperature processing and characterization of single-phase PZT powders by sol-gel method // Journal of Materials Science. 2007. No. 42(23). P. 9801 – 9806.
64. Meng Q., Zhu K., Pang X., et al. Sol-hydrothermal synthesis and characterization of lead zirconate titanate ?ne particles // Adv. Powder Technol. 2013 No. 24. P. 212 – 217.
65. Smirnova M. N., Nikiforova G. E., Kop’eva M. A., et al. PZT 50/50 nanocrystalline powders with tetragonal structure prepared via gel combustion route: Effect of heat treatment on phase and chemical compositions // Ceramics International. 2021. No. 47(11). P. 16232 – 16239.
66. Chamankar N., Khajavi R., Yousefi A. A., et al. Comparing the piezo, pyro and dielectric properties of PZT particles synthesized by sol-gel and electrospinning methods // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. No. 30. P. 8721 – 8735.

The article can be purchased
electronic!

PDF format

500

DOI: 10.14489/glc.2024.02.pp.047-056
Article type: Review
Make a request

Keywords

Use the reference below to cite the publication

Paramonova N. D., Danilov E. A., Vartanyan M. A. Application of sol-gel technique for synthesis of nanostructured piezoelectric materials in lead zirconate-titanate system – a review. Part 1. Powders synthesis. Steklo i keramika. 2024;97(2):47-56. (In Russ). DOI: 10.14489/glc.2024.02.pp.047-056