Faz sınırı kompozisyonuna sahip PMN-PT tek kristal ferroelektrik malzemelerin elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the electrical properties of PMN-PT single crystal ferroelectric materials with phase boundary composition
Yazar: FATMA DENİZ BELİÇ
Danışman: PROF. DR. EBRU MENŞUR
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
İklimlendirme ve soğutma teknolojileri günümüzde oldukça önemli bir yere sahiptir. Ancak bu teknolojilerde geleneksek soğutma yöntemleri izlenmektedir. Geleneksel soğutma yöntemleri, zararlı maddelerin kullanımına dayanmaktadır ve işlem esnasında fazla enerji tüketmesi gibi olumsuz etkilere sahiptir. Bu gibi nedenlerle son yıllarda yerine, elektrokalorik soğutma teknolojisi daha iyi bir alternatif olarak gündeme gelmektedir. Elektrokalorik soğutma teknolojisi en basit tanımıyla, elektrokalorik malzemeler ile gerçekleştirilen katı hal soğutma teknolojisi olarak ifade edilmektedir. Bu soğutma teknolojisinin yaygınlaşabilmesi için ise öncelikle büyük sıcaklık değişimi sağlayacak kapasitede elektrokalorik malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir. Daha sonrasında ise bu malzemeler ile verimli ve güvenilir elektrokalorik soğutma sistemleri oluşturulabilmesi mümkündür. Elektrokalorik malzemelerin verimliliği ise elektrik alanı uygulandığında sıcaklığın ne kadar değiştiği ile orantılı olarak ifade edilebilmektedir. Yapılan son çalışmalar, elektrokalorik soğutma sistemlerinde seramik (bazı ferroelektrik seramikler) ve polimer malzemelerin daha çok revaçta olduğunu göstermektedir.
Elektrokalorik malzemelerden biri olan, PMN-xPT (Pb (Mg1/3Nb2/3) O3 – x PbTiO3) katı çözeltileri, PMN'nin relaksör ferroelektrik özelliklerini, oda sıcaklığında büyük elektrokalorik etkileri ve PT'nin piezoelektrik özellikleri ile birleştirmektedir. Bu özellik, PMN-xPT katı çözeltilerini piroelektrik, piezoelektrik ve elektro-termal malzemelere dayalı olarak toplanan enerjinin birden fazla biçimini birleştiren ve bunların mikro sistemlere entegrasyonunu sağlayan hibrit uygulamalar tasarlamak için faydalı kılmaktadır.
Gerçekleştirilen bu tez çalışması kapsamında, morfotropik faz sınırı (MFS) kompozisyonuna sahip <111> doğrultusunda ve <011> doğrultusunda büyütülmüş ve (110) düzleminde kesilmiş relaksör ferroelektrik 0.70 PMN-0.30 PT tek kristalleri Bridgman yöntemi ile üretilmiştir. Tek kristallerin kompozisyon, polarizasyon ve farklı elektrik alan ve frekanslara göre elektriksel özelliklerindeki değişimler, incelenmiştir. Elektriksel özellikleri için dielektrik sabiti, polarizasyon-elektrik alan (P-E) ve dolaylı yöntem ile elektrokalorik ölçümleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Air conditioning and cooling technologies have a very important place today. However, traditional cooling methods are followed in these technologies. Traditional cooling methods are based on the use of harmful substances and have negative effects such as consuming too much energy during the process. For such reasons, electrocaloric cooling technology has come to the fore as a better alternative in recent years. Electrocaloric cooling technology, in its simplest definition, is expressed as solid state cooling technology realized with electrocaloric materials. In order for this cooling technology to become widespread, electrocaloric materials that have the capacity to provide large temperature changes must first be developed. Later, it is possible to create efficient and reliable electrocaloric cooling systems with these materials. The efficiency of electrocaloric materials can be expressed in proportion to how much the temperature changes when an electric field is applied. Recent studies show that ceramics (some ferroelectric ceramics) and polymer materials are more popular in electrocaloric cooling systems.
Solid solutions of PMN-xPT (Pb (Mg1/3Nb2/3) O3 – x PbTiO3), one of the electrocaloric materials, combine the relaxor ferroelectric properties of PMN with the large electrocaloric effects at room temperature and the piezoelectric properties of PT. This property makes PMN-xPT solid solutions useful for designing hybrid applications that combine multiple forms of harvested energy based on pyroelectric, piezoelectric and electro-thermal materials and enable their integration into microsystems.
Within the scope of this thesis study, relaxor ferroelectric 0.70 PMN-0.30 PT single crystals with morphotropic phase boundary (MPB) composition, grown in the <111> direction and <011> direction and cut in the (110) plane, were produced by the Bridgman method. Changes in the composition, polarization and electrical properties of single crystals according to different electric fields and frequencies were examined. For its electrical properties, dielectric constant, polarization-electric field (P-E) and electrocaloric measurements were carried out by indirect method.