Natrijev niobat

Natrijev niobat (NaNbO₃) je od sredine prejšnjega stoletja do danes predmet intenzivnih raziskav. V zgodnjih raziskavah v dvajsetem stoletju so NaNbO₃ označili kot feroelektrik. Leta 1951, ko so uvedli pojem antiferoelektričnosti, je Vousden dokazal, da je NaNbO₃ pri sobni temperaturi antiferoelektrik. Feroelektričnost v NaNbO₃ lahko vzbudimo z električnim poljem. Inducirana feroelektrična faza je stabilna do približno 270 °C.

Natrijev niobat ima perovskitno strukturo (rdeče kroglice predstavljajo kisikove, modre niobijeve in zelene natrijeve atome).

Za NaNbO₃ so značilne kompleksne polimorfne pretvorbe od feroelektrične faze romboedrične kristalne singonije, stabilne pri temperaturah pod –100 °C, do antiferoelektričnih faz ortorombske kristalne singonije in kubične paraelektrične faze, ki je stabilna pri temperaturah nad 640 °C. S polimorfnimi pretvorbami NaNbO₃ so se začeli ukvarjati že v zgodnjih petdesetih letih in nadaljevali vse do konca dvajsetega stoletja.

NaNbO₃ ima perovskitno strukturo. Slika prikazuje strukturo faze P-NaNbO₃, ki je stabilna pri sobni temperaturi. Strukturo sestavljajo oktaedri NbO₆, ki so nekoliko nagnjeni (ang.: tilt) glede na os v b-smeri in so v tej smeri povezani preko robov. Kationi Na⁺ se nahajajo v prazninah med oktaedri. Vsak kation Na⁺ obdajajo štirje anioni O₂^–.

Že v zgodnjih šestdesetih letih dvajsetega stoletja so ugotovili, da lahko NaNbO₃ tvori vrsto trdnih raztopin z zanimivimi lastnostmi. Sisteme trdnih raztopin (1–x)NaNbO₃-xABO₃ razdelimo v dve skupini glede na vrsto perovskitne faze ABO₃:

- Skupina I: Že majhen dodatek feroelektrične faze ABO₃ (nekaj % v molskem deležu) v NaNbO₃ vzbudi feroelektričnost. Takšne trdne raztopine imajo običajno oster maksimum dielektrične konstante pri Curiejevi temperaturi. V to skupino spadata trdni raztopini, ki sta zanimivi za piezoelektrične aplikacije in sicer (K_xNa_1–x)NbO₃ in (Li_xNa_1–x)NbO₃. Poleg dobrih piezoelektričnih lastnosti sta trdni raztopini tudi ekološko prijazna materiala, saj ne vsebujeta svinca, tako kot najbolj razširjeni piezoelektrični materiali na osnovi svinčevih perovskitov, kot je trdna raztopina Pb(Zr_xTi_1–x)O₃.

- Skupina II: Antiferoelektričnost NaNbO₃ se ohrani do razmeroma visokih vrednosti x ali deležih komponente ABO₃. Z razliko od skupine I v to skupino uvrščamo ABO₃ spojine z antiferoelektričnim in paraelektričnim značajem. Pri določenih sestavah x > x₀ se pojavi širok maksimum dielektrične konstante v odvisnosti od temperature. Temperatura maksimuma dielektrične konstante T_m je odvisna od frekvence, kar je značilno za relaksorje. Relaksorsko obnašanje so potrdili v sistemu NaNbO₃-NaTaO₃, kjer so pokazali, da keramika NaNb0,3Ta0,7O₃ ne kaže strukturnih sprememb pri ohlajanju preko temperature T_m. V skupino II uvrščamo trdne raztopine med NaNbO₃ in perovskitnimi fazami kot so BiFeO₃, CaTiO₃, SrTiO₃ in NaTaO₃. Poleg tega spadajo v to skupino tudi trdne raztopine med NaNbO₃ in ternarnimi spojinami kot so A_0,5Bi_0,5TiO₃, kjer je A = Na, Ag. Trdne raztopine iz skupine II so odprle novo pot pri iskanju relaksorskih materialov brez svinca.

Za večino relaksorskih sistemov iz skupine II so temperature maksimumov dielektrične konstante Tm pod sobno temperaturo, kar predstavlja oviro pri uporabi tovrstnih materialov. Poleg tega so tudi maksimalne vrednosti dielektrične konstante nižje kot pri relaksorjih na osnovi svinca (na primer Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃). Podobno velja tudi za druge sisteme relaksorjev brez svinca kot sta NaNbO₃-BaTiO₃ in NaNbO₃-BaSnO₃.