Synthesis of new piezoelectric materials based on natural resources (rocks) of Ouargla region

Abstract

The piezoelectric thin films were prepared by hydrothermal synthesis in using sandstones (OH1-OH7) as source of metallic cations as a precursor which collected from the southeast part of Algeria (Ouargla). First we investigated a quantative and qualitative analytical study of sandstones. The seven sample's Fourier-transform infrared (FT-IR) spectra showed the distinctive vibration bond peaks proving the existence of quartz and calcite. Whereas, Raman measurements indicated only the maximum acute values in intensity appeared at approximately 500 cm-1 before 600 cm-1 of the rotation of a part containing carbon atoms. Additionally, the chemical composition of sandstones was examined by energy dispersive X-ray (EDS) and X-ray diffraction (XRD), which generally revealed a composition with an average major content of 86.86% quartz in α-phase and a minor content of 13.14% calcite (CaCO3). Six samples of sandstones containing trace amounts of Fe, Al, Ag, Na, and K, these samples characterize by a solid solution in the crystal lattice, according to the EDS analysis. To create the thin films, silicon and calcium were extracted from the rock samples using the aqua regia digestion technique. As for the characterization of thin films, we used the same techniques but with a various type of devices. The thin films characterization were found mainly consist of about 9.33% quartz in α-phase and calcite mineral (about 90.66%). Finally, the piezoelectric measurements gave the strongest piezoelectric coefficients values of crystal quartz in rocks and thin films which are d33 = 2.55 ± 0.1 pC/N for (71% of SiO2), d33 = 4.18 ± 0.1 pC/N for (69% of SiO2), respectively. The obtained results shown here are very compatible with that was determined in previous studies.

Les couches minces piézoélectriques ont été préparées par synthèse hydrothermale en utilisant des grès (OH1-OH7) comme source de cations métalliques comme précurseur qui se sont recueillis dans la partie sud-est de l’Algérie (Ouargla). Nous avons d’abord étudié une étude analytique quantitative et qualitative des grès. Les sept spectres infrarouges à transformation de Fourier (FT-IR) de l’échantillon ont montré les pics de liaison vibratoire distinctifs prouvant l’existence du quartz et de la calcite. Alors que les mesures Raman indiquaient seulement les valeurs aiguës maximales en intensité apparaissaient à environ 500 cm-1 avant 600 cm-1 de la rotation d’une partie contenant des atomes de carbone. De plus, la composition chimique des grès a été examinée par diffusion d’énergie aux rayons X (EDX) et par diffraction aux rayons X (DRX), qui ont généralement révélé une composition avec une teneur majeure moyenne de 86.86% de quartz en phase α et une teneur mineure en calcite à 13.14% (CaCO3). Six échantillons de grès contenant des traces de Fe, Al, Ag, Na et K, ces échantillons se caractérisent par une solution solide dans le réseau cristallin, selon l’analyse EDX. Pour créer les couches minces, le silicium et le calcium ont été extraits des échantillons de roche en utilisant la technique de digestion aqua regia. En ce qui concerne la caractérisation des couches minces, nous avons utilisé les mêmes techniques mais avec différents types de dispositifs. La caractérisation des couches minces se compose principalement d’environ 9.33% de quartz en phase α et minéral de calcite (environ 90.66%). Enfin, les mesures piézoélectriques ont donné les coefficients piézoélectriques les plus élevés de quartz cristallin dans les roches et les couches minces sont d33 = 2,55 ± 0,1 pC/N pour (71% de SiO2), d33 = 4,18 ± 0,1 pC/N pour (69% de SiO2), respectivement. Les résultats obtenus présentés ici sont très compatibles avec ceux déterminés dans les études précédentes