Electromechanical properties of engineered lead free potassium sodium niobate based materials

K0.5Na0.5NbO3 (KNN), is the most promising lead free material for substituting lead zirconate titanate (PZT) which is still the market leader used for sensors and actuators. To make KNN a real competitor, it is necessary to understand and to improve its properties. This goal is pursued in the present work via different approaches aiming to study KNN intrinsic properties and then to identify appropriate strategies like doping and texturing for designing better KNN materials for an intended application. Hence, polycrystalline KNN ceramics (undoped, non-stoichiometric; NST and doped), high-quality KNN single crystals and textured KNN based ceramics were successfully synthesized and characterized in this work. Polycrystalline undoped, non-stoichiometric (NST) and Mn doped KNN ceramics were prepared by conventional ceramic processing. Structure, microstructure and electrical properties were measured. It was observed that the window for mono-phasic compositions was very narrow for both NST ceramics and Mn doped ceramics. For NST ceramics the variation of A/B ratio influenced the polarization (P-E) hysteresis loop and better piezoelectric and dielectric responses could be found for small stoichiometry deviations (A/B = 0.97). Regarding Mn doping, as compared to undoped KNN which showed leaky polarization (P-E) hysteresis loops, B-site Mn doped ceramics showed a well saturated, less-leaky hysteresis loop and a significant properties improvement. Impedance spectroscopy was used to assess the role of Mn and a relation between charge transport – defects and ferroelectric response in K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Mn doped KNN ceramics could be established. At room temperature the conduction in KNN which is associated with holes transport is suppressed by Mn doping. Hence Mn addition increases the resistivity of the ceramic, which proved to be very helpful for improving the saturation of the P-E loop. At high temperatures the conduction is dominated by the motion of ionized oxygen vacancies whose concentration increases with Mn doping. Single crystals of potassium sodium niobate (KNN) were grown by a modified high temperature flux method. A boron-modified flux was used to obtain the crystals at a relatively low temperature. XRD, EDS and ICP analysis proved the chemical and crystallographic quality of the crystals. The grown KNN crystals exhibit higher dielectric permittivity (29,100) at the tetragonal-to-cubic phase transition temperature, higher remnant polarization (19.4 μC/cm2) and piezoelectric coefficient (160 pC/N) when compared with the standard KNN ceramics. KNN single crystals domain structure was characterized for the first time by piezoforce response microscopy. It could be observed that <001> - oriented potassium sodium niobate (KNN) single crystals reveal a long range ordered domain pattern of parallel 180° domains with zig-zag 90° domains. From the comparison of KNN Single crystals to ceramics, It is argued that the presence in KNN single crystal (and absence in KNN ceramics) of such a long range order specific domain pattern that is its fingerprint accounts for the improved properties of single crystals. These results have broad implications for the expanded use of KNN materials, by establishing a relation between the domain patterns and the dielectric and ferroelectric response of single crystals and ceramics and by indicating ways of achieving maximised properties in KNN materials. Polarized Raman analysis of ferroelectric potassium sodium niobate (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) single crystals was performed. For the first time, an evidence is provided that supports the assignment of KNN single crystals structure to the monoclinic symmetry at room temperature. Intensities of A′, A″ and mixed A′+A″ phonons have been theoretically calculated and compared with the experimental data in dependence of crystal rotation, which allowed the precise determination of the Raman tensor coefficients for (non-leaking) modes in monoclinic KNN. In relation to the previous literature, this study clarifies that assigning monoclinic phase is more suitable than the orthorhombic one. In addition, this study is the basis for non-destructive assessments of domain distribution by Raman spectroscopy in KNN-based lead-free ferroelectrics with complex structures. Searching a deeper understanding of the electrical behaviour of both KNN single crystal and polycrystalline materials for the sake of designing optimized KNN materials, a comparative study at the level of charge transport and point defects was carried out by impedance spectroscopy. KNN single crystals showed lower conductivity than polycrystals from room temperature up to 200 ºC, but above this temperature polycrystalline KNN displays lower conductivity. The low temperature (T < 200 ºC) behaviour reflects the different processing conditions of both ceramics and single crystals, which account for less defects prone to charge transport in the case of single crystals. As temperature increases (T > 200 ºC) single crystals become more conductive than polycrystalline samples, in which grain boundaries act as barriers to charge transport. For even higher temperatures the conductivity difference between both is increased due to the contribution of ionic conduction in single crystals. Indeed the values of activation energy calculated to the high temperature range (T > 300 ºC) were 1.60 and 0.97 eV, confirming the charge transport due to ionic conduction and ionized oxygen vacancies in single crystals and polycrystalline KNN, respectively. It is suggested that single crystals with low defects content and improved electromechanical properties could be a better choice for room temperature applications, though at high temperatures less conductive ceramics may be the choice, depending on the targeted use. Aiming at engineering the properties of KNN polycrystals towards the performance of single crystals, the preparation and properties study of (001) – oriented (K0.5Na0.5)0.98Li0.02NbO3 (KNNL) ceramics obtained by templated grain growth (TGG) using KNN single crystals as templates was undertaken. The choice of KNN single crystals templates is related with their better properties and to their unique domain structure which were envisaged as a tool for templating better properties in KNN ceramics too. X-ray diffraction analysis revealed for the templated ceramics a monoclinic structure at room temperature and a Lotgering factor (f) of 40% which confirmed texture development. These textured ceramics exhibit a long range ordered domain pattern consisting of 90º and 180º domains, similar to the one observed in the single crystals. Enhanced dielectric (13017 at TC), ferroelectric (2Pr = 42.8 μC/cm2) and piezoelectric (d33 = 280 pC/N) properties are observed for textured KNNL ceramics as compared to the randomly oriented ones. This behaviour is suggested to be due to the long range ordered domain patterns observed in the textured ceramics. The obtained results as compared with the data previously reported on texture KNN based ceramics confirm that superior properties were found due to ordered repeated domain pattern. This study provides an useful approach towards properties improvement of KNN-based piezoelectric ceramics. Overall, the present results bring a significant contribution to the pool of knowledge on the properties of sodium potassium niobate materials: a relation between the domain patterns and di-, ferro-, and piezo-electric response of single crystals and ceramics was demonstrated and ways of engineering maximised properties in KNN materials, for example by texturing were established. This contribution is envisaged to have broad implications for the expanded use of KNN over the alternative lead-based materials.

Ecotoxicological tests using Chironomus riparius

Os sistemas aquáticos naturais podem estar sujeitos frequentemente a entrada de tóxicos, quer seja através da lixiviação dos campos agrícolas ou da descarga por parte de unidades industriais. Avaliar o impacto potencial destes contaminantes nos sistemas aquáticos é muito importante, porque pode promover consequências sérias no balanço ecológico dos ecossistemas. Os efeitos de níveis sub-letais destes tóxicos nas populações aquáticas são detectados, em muitos casos, somente após diversas gerações, dependendo da espécie e do contaminante. O comportamento animal é considerado como sendo a primeira linha de defesa perante estímulos ambientais, e pode ser uma representação de alterações fisiológicas no organismo, sendo portanto um indicador excelente de alterações ambientais. O desenvolvimento dos sistemas de aviso prévio que integram parâmetros comportamentais pode ajudar a prever mais rapidamente possíveis alterações ao nível das populações naturais, do que a utilização de testes ecotoxicológicos padrão com a mesma finalidade. O conhecimento acerca de possíveis implicações devido a alterações comportamentais, em organismos bentónicos e em populações do campo sujeitas a tóxicos, é ainda escasso. Sabendo isto, neste estudo pretendeu-se investigar como o comportamento de Chironomus riparius – usando um biomonitor em tempo real – e outros parâmetros tais como crescimento, emergência de adultos, bioacumulação e biomarcadores, são afectados pela exposição a imidacloprid e ao mercúrio, que foram seleccionados como contaminantes. Os resultados demonstraram que a exposição às concentrações sub-letais de imidacloprid afecta o crescimento e o comportamento dos quironomídeos e que estes organismos podem recuperar de uma exposição curta ao insecticida. O comportamento que corresponde à ventilação de C. riparius revelou-se como um parâmetro mais sensível do que a locomoção e do que as respostas bioquímicas, quando as larvas foram sujeitas ao imidacloprid. Larvas de C. riparius expostas a concentrações sub-letais de mercúrio apresentaram uma tendência de diminuição de actividade comportamental, em testes com concentrações crescentes do tóxico; o crescimento das larvas foi também prejudicado, e as taxas de emergência de adultos e o tempo de desenvolvimento apresentaram retardamento. Estes organismos podem bioacumular rapidamente o mercúrio em condições de não alimentação e apresentam uma lenta depuração deste metal. Estes efeitos podem, em último caso, conduzir a prováveis repercussões ao nível da população e das comunidades. As reduções em actividades comportamentais, mesmo em concentrações baixas, podem diminuir a quantidade de tempo gasta na procura de alimento, produzindo efeitos aos níveis morfo-fisiológicos, e assim afectar severamente o desempenho dos quironomídeos no ambiente. O uso destes factores comportamentais como um parâmetro ecotoxicológico sub-letal relevante ao nível da toxicologia aumentará a versatilidade dos testes, permitindo uma resposta comportamental mensurável e quantitativa ao nível do organismo, utilizando uma avaliação não destrutiva, e assim certificando que esta aproximação pode ser usada em testes ecotoxicológicos futuros.

Distributed coding for systems with cooperative diversity

O presente trabalho propõe-se a divulgar as mais significativas técnicas de esquemas cooperativos, de forma a ultrapassar alguns dos problemas dos sistemas móveis sem fios da próxima geração, estendendo a área de cobertura destes sistemas, assim como a sua capacidade e fiabilidade. O estudo de diversos esquemas cooperativos é efetuado em termos de capacidade e de taxa de erros, fazendo variar o número de relays e de antenas em cada elemento do sistema. Diversos algoritmos com aplicação em sistemas cooperativos são desenvolvidos e propostos ao longo desta tese, como códigos espaço-frequência aplicados de forma distribuída nos relays, para sistemas baseados na tecnologia OFDM e sob diversos cenários próximos da realidade. Os sistemas cooperativos são particularmente úteis em situações em que o caminho direto entre dois terminais não está acessível ou tem uma fraca qualidade de transmissão. Tendo este aspeto em consideração, e pretendendo ter a máxima eficiência espetral e máxima diversidade, um algoritmo com precodificação é também proposto para múltiplos relays, cada um equipado com uma ou duas antenas. A formulação matemática associada aos algoritmos propostos é apresentada, assim como a derivação da probabilidade de erro teórica. O desempenho dos sistemas assistidos por relays usando os algoritmos propostos é comparado em relação a outros esquemas cooperativos equivalentes e a esquemas não-cooperativos, considerando cenários com diferentes qualidades de canal, daí advindo importantes conclusões em relação a estes sistemas.

MPGDs based radiation imaging devices and applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.