Investigações computacionais e experimentais da propriedade dielétrica gigante de cerâmicas Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12

Oct 05, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4638 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um método sol-gel modificado foi usado para produzir com sucesso cerâmicas Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 com alta permissividade dielétrica. A permissividade dielétrica das cerâmicas Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 atinge valores maiores que 104 em temperatura ambiente e 1 kHz. Além disso, essas cerâmicas exibem dois relaxamentos dielétricos induzidos termicamente distintos em uma ampla faixa de temperatura. A tangente de perda é realmente pequena, ~0,032–0,035. Em baixas temperaturas, o relaxamento dielétrico foi atribuído ao efeito de vacância de oxigênio, enquanto em altas temperaturas, foi atribuído aos efeitos de contorno de grão e contato amostra-eletrodo. Nossos cálculos revelaram que os íons Y e Na provavelmente ocupam sítios de Ca e Cu, respectivamente. Como resultado, outras fases relacionadas ao Cu, especialmente CuO, foram observadas nos contornos de grão. Com base em nossa análise, há uma compensação de carga entre os íons Na e Y em Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12. Além disso, os estados Cu+ e Ti3+ observados em nosso estudo XPS se originam da presença de uma vacância de oxigênio na rede. Por último, a principal causa da enorme permissividade dielétrica da cerâmica Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 vem principalmente do efeito do capacitor da camada de barreira interna.

As pessoas dependem fortemente de dispositivos eletrônicos de alto desempenho em suas vidas cotidianas. Numerosas inovações eletrônicas foram, portanto, desenvolvidas, começando com o aprimoramento das propriedades eletrônicas dos materiais usados ​​em componentes essenciais e terminando com a produção de dispositivos eletrônicos. O ponto de vista mais frequentemente expresso é o desejo de reduzir o tamanho dos dispositivos e aumentar seu desempenho1,2,3,4,5. Outra perspectiva é a necessidade de diminuir o uso de compostos perigosos em dispositivos eletrônicos5,6,7,8,9,10,11,12. Nos últimos anos, dispositivos de alta tecnologia, principalmente os utilizados para armazenamento de energia elétrica, têm sido amplamente discutidos1,2,3,4. Estudos publicados anteriormente indicaram que o desempenho dos capacitores é aprimorado, pois seu uso é crítico para armazenamento elétrico temporário1,2,3,4,5. Os capacitores cerâmicos são amplamente utilizados como componentes essenciais em uma variedade de dispositivos, como placas gráficas e memória de acesso aleatório (RAM)13. As propriedades dielétricas de um material determinam sua adequação para várias aplicações, especialmente para capacitores. As constantes dielétricas (ε′) e as tangentes de perda dielétrica (tan δ) são parâmetros críticos que indicam o desempenho dielétrico dos materiais14. Interesse recente em cerâmicas de TiO2 codopado com íon metálico, SnO2 codopado com íon metálico e ACu3Ti4O12 (A=Ca, Cd, Na1/2Y1/2, Sm2/3, Y2/3) não dopado, dopado simples e codopado ACu3Ti4O12 têm chamado a atenção de acadêmicos interessados ​​em investigar suas propriedades estruturais e dielétricas1,2,3,4,5,6,15,16,17,18,19,20,21,22. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 (NYCTO) é um dos dielétricos cerâmicos mais populares estudados nos últimos anos18,19,20,22.

Para a cerâmica NYCTO, as duas áreas de investigação mais proeminentes são o aprimoramento de suas propriedades dielétricas e a investigação das causas de sua colossal resposta dielétrica18,19,20,22. Em geral, o alto ε' da cerâmica NYCTO é interessante. De acordo com o modelo do capacitor de camada de barreira interna (IBLC), a origem mais amplamente reconhecida do alto ε' de NYCTO e cerâmicas similares é a polarização interfacial23,24. Isso se deve à heterogeneidade em sua microestrutura. Métodos tecnológicos avançados mostraram a presença de grãos semicondutores e contornos de grãos isolantes (GBs) em NYCTO e cerâmicas relacionadas18,19,20,22,23,24. De sua escala microscópica baseada em um modelo IBLC, o mecanismo de capacitância da camada de barreira em nanoescala (NBLC) e o impacto do limite de domínio vêm de defeitos intrínsecos. Descobriu-se que eles são as origens da gigantesca resposta dielétrica em NYCTO25,26. Nosso trabalho anterior mostrou que a cerâmica NYCTO produzida por meio de uma reação de estado sólido (SSR) e sinterizada a 1100 °C por vários tempos atingiu altos valores de ε', 0,13−2,30 × 104, com baixos valores de tanδ, 0,030−0,11118. Ahmad e Kotb relataram uma temperatura de sinterização reduzida por meio do uso de sinterização por plasma de faísca (SP). Eles descobriram um alto ε' de aproximadamente 2,49 × 104 em uma cerâmica NYCTO sinterizada a 975 ° C por 10 minutos. No entanto, seu tanδ permanece muito alto (~3,39)20. Além disso, Kotb e Ahmad revelaram que um valor de ε′ de 4,50 × 103 e uma tangente de perda de 0,055 podem ser obtidos em uma cerâmica NYCTO produzida usando um SSR e sinterizada ao ar por 10 h a 1050 °C19. Após o SSR, um valor ε′ maior que 104 com um tanδ menor que 0,10 foi obtido usando uma alta temperatura de sinterização (1100 °C). Técnicas químicas úmidas, especificamente uma técnica modificada de sol-gel, têm sido propostas como métodos de fabricação viáveis ​​para a produção de cerâmica dielétrica com propriedades desejáveis ​​via sinterização a baixa temperatura6,9,10,12. Embora as propriedades dielétricas da cerâmica ACu3Ti4O12 produzida por meio de um método químico úmido tenham sido extensivamente documentadas6,7,8,9,10,11,12, elas nunca foram publicadas para o NYCTO. Em alguns estudos do NYCTO, foi observada uma pequena decomposição de fases adicionais em imagens SEM18,20,27. No entanto, XRD não pode identificá-los. Essas fases podem gerar altos valores de ε' com baixos valores de tanδ em NYCTO. Como resultado, um método sol-gel modificado deve ser usado para preparar NYCTO. Embora as investigações da cerâmica NYCTO18,19,20,22 tenham sido amplamente relatadas, apenas resultados experimentais foram apresentados. É razoável combinar métodos experimentais e computacionais baseados na teoria do funcional da densidade (DFT) para obter informações sobre as propriedades elétricas e dielétricas desta cerâmica.