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Oct 15, 2023

Sviluppo degli effetti granulometrici nella ceramica ferroelettrica al titanato di bario

Scientific Reports volume 5,

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 9953 (2015) Citare questo articolo

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Gli effetti della dimensione del grano sulle proprietà fisiche dei ferroelettrici policristallini sono stati ampiamente studiati per decenni; tuttavia esistono ancora importanti controversie riguardanti la dipendenza delle proprietà piezoelettriche e ferroelettriche dalla dimensione del grano. Le ceramiche dense BaTiO3 con diverse dimensioni del grano sono state fabbricate mediante sinterizzazione convenzionale o sinterizzazione al plasma a scintilla utilizzando polveri di dimensioni micro e nano. I risultati mostrano che l’effetto della dimensione dei grani sulla permettività dielettrica è quasi indipendente dal metodo di sinterizzazione e dalla polvere di partenza utilizzata. Un picco nella permettività si osserva in tutte le ceramiche con una dimensione del grano vicina a 1 μm e può essere attribuito alla massima densità e mobilità della parete del dominio. Il coefficiente piezoelettrico d33 e la polarizzazione residua Pr mostrano diversi effetti sulla dimensione dei grani a seconda della dimensione delle particelle della polvere iniziale e della temperatura di sinterizzazione. Ciò suggerisce che oltre alla densità delle pareti del dominio, altri fattori come campi posteriori e difetti puntiformi, che influenzano la mobilità delle pareti del dominio, potrebbero essere responsabili della diversa dipendenza dalla dimensione dei grani osservata nelle proprietà dielettriche e piezoelettriche/ferroelettriche. Nei casi in cui i difetti puntiformi non sono il contributo dominante, la costante piezoelettrica d33 e la polarizzazione residua Pr aumentano con l'aumentare della dimensione del grano.

Comprendere gli effetti della dimensione dei grani che governano la struttura cristallina e le proprietà funzionali dei materiali ferroelettrici è di vitale importanza per migliorare le prestazioni dei sistemi ferroelettrici, che sono incorporati in numerosi dispositivi elettronici, come sensori, attuatori, trasduttori e memorie non volatili1, 2,3. A causa della crescente domanda di dispositivi miniaturizzati, sono stati compiuti progressi significativi nella fabbricazione di strutture ferroelettriche su scala micro, meso e nano4,5. Una comprensione fondamentale degli effetti della dimensione dei grani sulle proprietà dielettriche e ferroelettriche è stata ottenuta studiando strutture ferroelettriche a bassa dimensione6,7,8,9,10,11,12. Studi teorici e sperimentali su film sottili/ultrasottili6,7,8, nanofili9,10 e altri tipi di sistemi nanodimensionali11,12 hanno dimostrato che la ferroelettricità persiste su scala nanometrica, dimostrando così il loro potenziale per l'uso in dispositivi in ​​miniatura. Tuttavia, alcune applicazioni richiedono componenti sfusi con proprietà funzionali specifiche, che possono essere ottenute direttamente da una determinata dimensione del grano. Sebbene gli effetti della dimensione dei grani sulle proprietà dielettriche, piezoelettriche e ferroelettriche siano stati ampiamente studiati in diversi sistemi sfusi ferroelettrici, ci sono ancora una serie di aspetti che rimangono poco chiari. Questi sono principalmente legati alla dipendenza dalla dimensione del grano delle proprietà piezoelettriche e ferroelettriche, spesso mostrando discrepanze nella letteratura esistente. Inoltre, ci sono una serie di altri fattori che potrebbero influenzare la dipendenza dalla dimensione dei grani; la loro identificazione è lo scopo principale del presente studio. La ceramica al titanato di bario è stata scelta come sistema ferroelettrico modello per questa ricerca.

Il titanato di bario (BaTiO3) è un tipico materiale ferroelettrico con una struttura tipo perovskite. È stato ampiamente studiato per condensatori dielettrici e applicazioni piezoelettriche senza piombo, raggiungendo sia valori elevati di permettività dielettrica (fino a 7000)13 che costante piezoelettrica (d33 fino a 788 pC/N in ceramica testurizzata)14. Nelle ceramiche BaTiO3, è stato riportato che la dimensione dei grani ha un'influenza sostanziale sulla permettività dielettrica13,15,16,17,18,19,20,21. La costante dielettrica dei ceramici BaTiO3 aumenta dapprima al diminuire della dimensione media dei grani, raggiungendo un valore massimo nell'intervallo di dimensioni dei grani ~ 0,8–1,1 μm e poi diminuisce rapidamente con un'ulteriore diminuzione della dimensione dei grani13,15,16,17,18,19, 20,21. Un comportamento simile è stato osservato in altri ferroelettrici22,23,24. In generale, la dipendenza dalla dimensione del grano della permettività dielettrica mostra tendenze coerenti nonostante l'uso di diversi metodi di lavorazione e sinterizzazione delle polveri13,15,16,17,18,19,20,21. Per quanto riguarda l'origine fisica del valore massimo della permettività, solitamente associato a una dimensione intermedia dei grani di ~ 1 μm, negli ultimi decenni sono state sviluppate due teorie alternative basate sullo stress residuo interno e sul movimento della parete del dominio (vedere Rif. 19 per un revisione). Recenti esperimenti in situ di diffrazione di raggi X ad alta energia eseguiti su ceramiche BaTiO3 con granulometrie comprese tra 0,32 e 3,5 µm suggeriscono che la permettività massima riscontrata intorno alla granulometria di 1 µm è dovuta al massimo contributo della parete del dominio21.