Indagini computazionali e sperimentali sulla proprietà dielettrica gigante dei ceramici Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12

Oct 05, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4638 (2023) Citare questo articolo

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È stato utilizzato un metodo sol-gel modificato per produrre con successo ceramiche Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 con elevata permettività dielettrica. La permettività dielettrica delle ceramiche Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 raggiunge valori superiori a 104 a temperatura ambiente e 1 kHz. Inoltre, queste ceramiche mostrano due distinti rilassamenti dielettrici indotti termicamente in un ampio intervallo di temperature. La tangente della perdita è infatti piccola, ~0,032–0,035. A basse temperature, il rilassamento dielettrico è stato attribuito all’effetto di vuoto di ossigeno, mentre a temperature elevate è stato attribuito agli effetti del confine del grano e del contatto campione-elettrodo. I nostri calcoli hanno rivelato che è probabile che gli ioni Y e Na occupino rispettivamente i siti Ca e Cu. Di conseguenza, ai bordi del grano sono state osservate altre fasi correlate al Cu, in particolare CuO. Sulla base della nostra analisi, esiste una compensazione di carica tra gli ioni Na e Y in Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12. Inoltre, gli stati Cu+ e Ti3+ osservati nel nostro studio XPS hanno origine dalla presenza di un posto vacante di ossigeno nel reticolo. Infine, la causa principale dell’enorme permettività dielettrica delle ceramiche Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 deriva principalmente dall’effetto del condensatore dello strato barriera interno.

Le persone fanno molto affidamento su dispositivi elettronici ad alte prestazioni nella loro vita quotidiana. Sono state quindi sviluppate numerose innovazioni elettroniche, a partire dal miglioramento delle proprietà elettroniche dei materiali utilizzati nei componenti essenziali per finire con la produzione di dispositivi elettronici. Il punto di vista più spesso espresso è il desiderio di ridurre le dimensioni dei dispositivi aumentandone al contempo le prestazioni1,2,3,4,5. Un'altra prospettiva è la necessità di ridurre l'uso di composti pericolosi nei dispositivi elettronici5,6,7,8,9,10,11,12. Negli ultimi anni, i dispositivi ad alta tecnologia, in particolare quelli utilizzati per l’accumulo di energia elettrica, sono stati ampiamente discussi1,2,3,4. Studi pubblicati in precedenza hanno indicato che le prestazioni dei condensatori sono migliorate poiché il loro utilizzo è fondamentale per l'accumulo elettrico temporaneo1,2,3,4,5. I condensatori ceramici sono ampiamente utilizzati come componenti essenziali in una varietà di dispositivi, come schede grafiche e memoria ad accesso casuale (RAM)13. Le proprietà dielettriche di un materiale determinano la sua idoneità per varie applicazioni, in particolare per i condensatori. Le costanti dielettriche (ε′) e le tangenti di perdita dielettrica (tan δ) sono parametri critici che indicano le prestazioni dielettriche dei materiali14. Interesse recente per TiO2 co-drogato con ioni metallici, SnO2 co-drogato con ioni metallici e ceramiche ACu3Ti4O12 (A=Ca, Cd, Na1/2Y1/2, Sm2/3, Y2/3) non drogate, drogate singole e co-drogate hanno attirato l'attenzione degli accademici interessati a studiarne le proprietà strutturali e dielettriche1,2,3,4,5,6,15,16,17,18,19,20,21,22. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 (NYCTO) è uno dei dielettrici ceramici più popolari studiati negli ultimi anni18,19,20,22.

Per la ceramica NYCTO, le due aree di indagine più importanti sono il miglioramento delle sue proprietà dielettriche e lo studio delle cause della sua colossale risposta dielettrica18,19,20,22. In generale, l’alto ε′ delle ceramiche NYCTO è interessante. Secondo il modello del condensatore a strato di barriera interno (IBLC), l'origine più ampiamente riconosciuta dell'alto ε′ del NYCTO e di ceramiche simili è la polarizzazione interfacciale23,24. Ciò è dovuto all'eterogeneità nella loro microstruttura. Metodi tecnologici avanzati hanno dimostrato la presenza di grani semiconduttori e bordi di grano isolanti (GB) nel NYCTO e nelle relative ceramiche18,19,20,22,23,24. Dalla loro scala microscopica basata su un modello IBLC, il meccanismo NBLC (capacità dello strato barriera su scala nanometrica) e l'impatto sui confini del dominio derivano da difetti intrinseci. Si è scoperto che sono l'origine della gigantesca risposta dielettrica nel NYCTO25,26. Il nostro lavoro precedente ha mostrato che le ceramiche NYCTO prodotte attraverso una reazione allo stato solido (SSR) e sinterizzate a 1100 ° C per vari tempi hanno raggiunto valori ε′ elevati, 0,13−2,30×104, con valori tanδ bassi, 0,030−0,11118. Ahmad e Kotb hanno segnalato una temperatura di sinterizzazione ridotta tramite l'uso della sinterizzazione Spark Plasma (SP). Hanno scoperto un ε′ elevato di circa 2,49×104 in una ceramica NYCTO sinterizzata a 975 °C per 10 minuti. Tuttavia, il suo tanδ rimane molto elevato (~3,39)20. Inoltre, Kotb e Ahmad hanno rivelato che un valore ε′ di 4,50×103 e una tangente di perdita di 0,055 possono essere ottenuti in una ceramica NYCTO prodotta utilizzando un SSR e sinterizzata in aria per 10 ore a 1050 °C19. Dopo l'SSR, utilizzando un'elevata temperatura di sinterizzazione (1100 °C), è stato ottenuto un valore ε′ superiore a 104 con un tanδ inferiore a 0,10. Le tecniche chimiche umide, in particolare una tecnica sol-gel modificata, sono state proposte come metodi di produzione praticabili per produrre ceramiche dielettriche con proprietà desiderabili tramite sinterizzazione a bassa temperatura6,9,10,12. Sebbene le proprietà dielettriche delle ceramiche ACu3Ti4O12 prodotte tramite un metodo chimico umido siano state ampiamente documentate6,7,8,9,10,11,12, non sono mai state pubblicate per il NYCTO. In alcuni studi del NYCTO, nelle immagini SEM è stata osservata una minore decomposizione di fasi aggiuntive18,20,27. Tuttavia, XRD non può identificarli. Queste fasi possono generare valori ε′ elevati con valori tanδ bassi nel NYCTO. Di conseguenza, per preparare il NYCTO è necessario utilizzare un metodo sol-gel modificato. Sebbene le indagini sulle ceramiche NYCTO18,19,20,22 siano state ampiamente riportate, sono stati presentati solo risultati sperimentali. È ragionevole combinare metodi sperimentali e computazionali basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) per ottenere informazioni dettagliate sulle proprietà elettriche e dielettriche di questa ceramica.