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Oct 15, 2023

Desdobrando os efeitos do tamanho de grão em cerâmicas ferroelétricas de titanato de bário

Relatórios Científicos volume 5,

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 9953 (2015) Citar este artigo

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Os efeitos do tamanho de grão nas propriedades físicas dos ferroelétricos policristalinos têm sido extensivamente estudados há décadas; porém ainda existem grandes controvérsias quanto à dependência das propriedades piezoelétricas e ferroelétricas do tamanho de grão. Cerâmicas densas de BaTiO3 com diferentes tamanhos de grão foram fabricadas por sinterização convencional ou sinterização por faísca de plasma usando pós de tamanho micro e nano. Os resultados mostram que o efeito do tamanho de grão na permissividade dielétrica é quase independente do método de sinterização e do pó de partida usado. Um pico na permissividade é observado em todas as cerâmicas com tamanho de grão próximo a 1 μm e pode ser atribuído a uma máxima densidade e mobilidade da parede de domínio. O coeficiente piezoelétrico d33 e a polarização remanescente Pr mostram diversos efeitos de tamanho de grão, dependendo do tamanho de partícula do pó de partida e da temperatura de sinterização. Isso sugere que, além da densidade da parede de domínio, outros fatores como backfields e defeitos pontuais, que influenciam a mobilidade da parede de domínio, podem ser responsáveis ​​pela diferente dependência do tamanho de grão observada nas propriedades dielétricas e piezoelétricas/ferroelétricas. Nos casos em que os defeitos pontuais não são os contribuintes dominantes, a constante piezelétrica d33 e a polarização remanescente Pr aumentam com o aumento do tamanho do grão.

Compreender os efeitos do tamanho de grão que governam a estrutura cristalina e as propriedades funcionais dos ferroelétricos é de vital importância para melhorar o desempenho dos sistemas ferroelétricos, que estão embutidos em vários dispositivos eletrônicos, como sensores, atuadores, transdutores e memórias não voláteis1, 2,3. Devido a uma crescente demanda por dispositivos em miniatura, um progresso significativo na fabricação de estruturas ferroelétricas em micro, meso e nanoescala foi feito4,5. Uma compreensão fundamental dos efeitos do tamanho de grão nas propriedades dielétricas e ferroelétricas foi alcançada pelo estudo de estruturas ferroelétricas de baixa dimensão6,7,8,9,10,11,12. Estudos teóricos e experimentais sobre filmes finos/ultrafinos6,7,8, nanofios9,10 e outros tipos de sistemas nanodimensionais11,12 mostraram que a ferroeletricidade persiste até a nanoescala, demonstrando assim seu potencial para uso em dispositivos em miniatura. No entanto, certas aplicações requerem componentes a granel com propriedades funcionais específicas, que podem ser obtidas diretamente de um tamanho de grão específico. Embora os efeitos do tamanho de grão nas propriedades dielétricas, piezoelétricas e ferroelétricas tenham sido amplamente estudados em vários sistemas ferroelétricos a granel, ainda há vários aspectos que permanecem obscuros. Estes estão principalmente relacionados com a dependência do tamanho de grão das propriedades piezoelétricas e ferroelétricas, muitas vezes apresentando discrepâncias na literatura existente. Além disso, existem vários outros fatores que podem influenciar a dependência do tamanho do grão; sua identificação é o principal objetivo do presente estudo. As cerâmicas de titanato de bário são escolhidas como modelo de sistema ferroelétrico para esta pesquisa.

O titanato de bário (BaTiO3) é um típico material ferroelétrico com uma estrutura do tipo perovskita. Ele tem sido amplamente estudado para capacitores dielétricos e aplicações piezoelétricas sem chumbo, alcançando altos valores de permissividade dielétrica (até 7.000)13 e constante piezoelétrica (d33 até 788 pC/N em cerâmica texturizada)14. Em cerâmicas de BaTiO3, foi relatado que o tamanho de grão tem influência substancial na permissividade dielétrica13,15,16,17,18,19,20,21. A constante dielétrica da cerâmica de BaTiO3 primeiro aumenta com a diminuição do tamanho médio do grão, atingindo um valor máximo na faixa de tamanho de grão de ~ 0,8–1,1 μm e depois diminui rapidamente com a diminuição do tamanho do grão13,15,16,17,18,19, 20,21. Comportamento semelhante foi observado em outros ferroelétricos22,23,24. Geralmente, a dependência do tamanho de grão da permissividade dielétrica mostra tendências consistentes, apesar do uso de diferentes métodos de processamento de pó e sinterização13,15,16,17,18,19,20,21. Em relação à origem física do valor máximo da permissividade, geralmente associada a um tamanho de grão intermediário de ~ 1 μm, duas teorias alternativas baseadas na tensão residual interna e no movimento da parede de domínio foram desenvolvidas nas últimas décadas (ver Ref. 19 para um análise). Recentes experimentos in situ de difração de raios-X de alta energia realizados em cerâmica de BaTiO3 com tamanhos de grão na faixa de 0,32–3,5 µm sugerem que a permissividade máxima encontrada em torno do tamanho de grão de 1 µm é devida à contribuição máxima da parede de domínio21.