Lead-free piezoelectric powders : synthesis, deposition and characterization of pure potassium sodium niobates (KNN)

Piezoelectric materials are well known since the very beginning of the twentieth century. Nowadays, they are used in many devices, such as sensors or actuators. An increasing attention has been recently drawn on them in view of their potential use in new applications such as Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS), energy harvesting and biomedical equipment. However, further research is required both on new materials and innovative devices production. On these bases the present thesis work has been focused on both new material formulation and deposition of piezoelectric coatings via a Microplotter: a system for printed electronic elements or biological application. Among other piezoelectric materials, perovskite structured potassium sodium niobate KxNa1-xNbO3 (KNN) was select as possible alternative material to the most used PZT. Different synthesis methods were evaluated for this material and, among them the conventional solid state reaction and the citrate assisted solid state reaction were found to be of choice. The synthetized KNN powders showed the desired piezoelectricity properties using both preparation procedures, comparable or even better than those of a commercial PZT sample, used as reference. Using the powders produced in this thesis, slurry formulations for microplotter deposition application were developed and optimized through rheological and sedimentation tests. Shear thinning fluids characterized by viscosity values under 450 cP, suitable for microplotter deposition, were obtained using PEG-based (PolyEthyleneGlycol) compositions. It can be concluded that, the preliminary work performed in this thesis launches a wide range of possible applications on several substrates and several formulation using relatively low cost and energy consumption equipment.

I materiali piezoelettrici sono ben conosciuti fin dai primi anni del ventesimo secolo. Oggi giorno, sono utilizzati in svariati dispositivi come sensori o attuatori. Un attenzione crescente gli è stata attribuita in vista di nuove applicazioni possibili, come l’utilizzo in MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), il recupero di energia da fonti innovative e le tecnologie biomediche. Comunque, le più recenti ricerche si focalizzano su nuovi materiali o nuovi dispositive di utilizzo. Fatta questa premessa, il seguente lavoro di tesi si è concentrato sia sulla produzione di un nuovo materiale che sulla deposizione tramite un dispositivo micrometrico per dispositivi elettronici stampati o per applicazioni biomediche (Microplotter). Tra gli esistenti materiali piezoelettrici è stato scelto il niobato di sodio e potassio KxNa1-xNbO3 (KNN), avente struttura a perovskite, come possibile materiale sostitutivo del più usato PZT. Diversi metodi di sintesi sono stati considerati e, fra essi, sono stati scelti la reazione a stato solido convenzionale e la reazione a stato solido i cui precursori sono stati trattati con acido citrico. Le polveri di KNN sintetizzate con entrambi i metodi preparativi hanno mostrato comportamento piezoelettrico, con valori comparabili o anche migliori dei provini realizzati con il PZT. Usando le polveri prodotte, sono state preparate, ed ottimizzate tramite test reologici e di sedimentazione, delle sospensioni per la deposizione tramite Microplotter. Sono stati ottenuti fluidi pseudoplastici con valori di viscosità sotto i 450cP, a base di PEG (polietilenglicole), adatti per questa procedura. Si può concludere che il lavoro preliminare svolto in questa tesi apre svariate possibilità applicative, utilizzando un apparecchiatura a basso costo con poco dispendio di energia, adatta a diversi substrati e formulazioni.