Phase transitions structural analysis and piezoelectric applications of KNN and doped KNN

Nowadays, the main piezoelectric material commercialized is Lead Zirconate Titanate (PZT), which guarantees excellent performances thanks to its high piezoelectric properties and high Curie temperature. Nevertheless, the presence of Pb represents a serious hazard for human health. This drawback has grown the interest of the scientific community about the development of alternative Pb-free piezoelectric materials. Among those, Potassium-Sodium Niobate (KNN) is one of the most promising, due to its quite high piezoelectric constant and high Curie temperature. However, the piezoelectric properties of this material are not comparable with those of PZT yet. To enhance KNN performances, it is known that the piezoelectric properties are improved at the Morphotropic Phase Boundary or, as in the case of KNN, at the Polymorphic Phase Transition. For this reason in the present thesis, the study of phase transition (namely, from orthorhombic to tetragonal) has been carried out, with particular attention to understand which is the driving force of the transition and how to control its temperature. In order to investigate the crystal structure and the microstructure of the material across the phase transition, XRPD patterns of KNN powders were analysed through the Rietveld method. The structural and microstructural effects due to phase transition were characterized in terms of atomic position displacements, bond distances, lattice and microstructural profile parameters. A correlation between macroscopical effects and modification of microscopical array and phase transition was investigated. Finally, dopant elements, namely Li and Ti, were introduced in order to tailor the transition temperature, the structure and microstructure. A synergistic effect was found in case of co-doped sample. The lowering of transition temperature and the formation of a monophasic orthorhombic Li,Ti-doped structure were found.

Il materiale piezoelettrico attualmente più utilizzato in ambito industriale è il PZT che, grazie alle sue elevate proprietà piezoelettriche e all’alta temperatura di Curie garantisce ottime prestazioni. Tuttavia, la presenza del piombo risulta dannosa per la sicurezza e la salute delle persone. Per questo motivo, si stanno ricercando e sviluppando materiali piezoelettrici senza contenuto di piombo, con caratteristiche paragonabili al PZT. Il materiale che più rispecchia queste esigenze è il KNN, anche se le sue proprietà non sono tuttora comparabili con quelle del PZT. Partendo dal fatto che le proprietà piezoelettriche sono incrementate alla Morphotropic Phase Boundary (MPB), oppure alla Polymorphic Phase Transition (PPT), è stato intrapreso uno studio della transizione di fase da ortorombica a tetragonale del KNN. Con ciò, si è tentato di capire quale sia la principale causa della transizione e come controllare la sua dipendenza dalla temperatura. Per studiare la struttura cristallina e la microstruttura del materiale durante la transizione di fase, sono stati analizzati con il metodo Rietveld i pattern di XRPD in situ. Dai risultati ottenuti, è stato possibile caratterizzare le conseguenze strutturali e microstrutturali dovute alla transizione di fase in termini di spostamenti delle posizioni atomiche, distanze di legame, parametri reticolari e parametri di profilo, al fine di capire quale fosse il responsabile principale della transizione di fase. Da ultimo sono stati preparati nuovi campioni introducendo elementi dopanti quali Litio e Titanio, allo scopo di abbassare la temperatura di transizione a valori prossimi a 25°C, a cui è seguita la loro caratterizzazione strutturale.