Comparison of powder synthesis methods for the production of potassium sodium niobate (KNN)

Abstract

Alkali niobate-based, i.e., potassium sodium niobate, KxNax-1NbO3 at x=0.5 (the composition at the morphotropic phase boundary (MPB)), based materials have been reported as promising lead-free piezoelectrics to be substituted with the most extensive lead-based, i.e., lead zirconate titanate (PZT) ones. In this thesis, KNN particles were obtained using three discrete powder synthesis routes: conventional solid-state reaction, hydrothermal synthesis, and sol-gel processing. The as-synthesized powders were characterized via several techniques to provide a comparative study and underline the difficulties upon KNN synthesis. In the conventional method, the phase pure K0.5Na0.5NbO3 powders were obtained at 850°C with 382 ∓ 68 nm particle size. Unfortunately, the process cannot be considered sustainable due to the high risk of non-perovskite impurity phase formations. Also, the results demonstrated that single phase KNN powder having the MPB composition could not be accomplished via a one-step hydrothermal reaction process because of the inevitable formation of the second NaNbO3 phase. Instead, post-heat treatment of biphasic (K-rich (x>0.5) KNN and NaNbO3) samples lead to induction of sodium incorporation into the crystal lattice, and eventually, phase-pure KNN particles with high proximity (x=0.58) to MPB were achieved. The KNN powder with the smallest particle size (145 nm) was obtained using the sol-gel method at 500°C. However, the samples showed carbonate impurities resulting from the reaction of unreacted alkali cations (K+ and/or Na+) with the ambient CO2. Hence, the KNN samples needed to be stored under inert atmosphere to ensure purity.

Alkali niyobat bazlı, potasyum sodyum niyobat, x=0.5(morfotropik faz sınırına denk gelen kompozisyon) için KxNax-1NbO3, malzemelerin en yaygın olarak kullanılan, kurşun bazlı kurşun zirkonat titanatların (PZT) ikamesi olarak kullanılmak üzere umut verici olduğu raporlanmıştır. Bu tezde, KNN partikülleri üç ayrı toz sentezi yolu kullanılarak elde edildi: geleneksel katı hal reaksiyonu, hidrotermal sentez ve sol-jel yöntemi. Sentezlenen tozlar, karşılaştırmalı bir çalışma sağlamak ve KNN sentezindeki zorlukların altını çizmek için çeşitli yöntemlerle karakterize edildi. Geleneksel yöntemde, perovskit olmayan safsızlık oluşumlarının yüksek riski nedeniyle bu yöntem sürdürebilir bulunmamıştır. Ayrıca sonuçlar, MPB bileşimine sahip tek fazlı KNN tozunun, ikinci NaNbO3 fazının kaçınılmaz oluşumu nedeniyle, tek aşamalı hidrotermal reaksiyon işlemi ile gerçekleştirilemeyeceğini göstermiştir. Bunun yerine, bifazik (K açısından zengin (x>0.5) KNN ve NaNbO3 fazlarından oluşan) numunenin ısıl işlemi sonrası kristal kafese sodyum katılımı tetiklenmiş ve nihayetinde MPB'ye yüksek yakınlıkta (x=0.58) saf KNN parçacıkları elde edilmiştir. En küçük partikül boyutuna (145 nm) sahip KNN tozu, 500°C'de sol-jel yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Ancak numuneler, reakte olmamış alkali katyonların (K+ ve/veya Na+) ortamdaki CO2 ile reaksiyonundan kaynaklanan karbonat safsızlıkları göstermiştir. Bu nedenle, saflığı sağlamak için KNN numunelerinin inert atmosferde saklanması gerekmektedir.