Electrode field penetration: A new interpretation of tunneling currents in barium strontium titanate (BST) thin films

This paper shows that penetration of the applied electric field into the electrodes of a ferroelectric thin film capacitor produces both an interfacial capacitance and an effective mechanism for electron tunneling. The model predictions are compared with experimental results on Au-BST-SrRuO3 capacitors of varying thicknesses, and the agreement is excellent.

Synthesis and NMR Characterization of Titanium and Zirconium Oxides Incorporated in SBA-15

Single oxides of Ti and Zr incorporated SBA-15 were prepared and characterized by N-2 adsorption, NMR, and XPS techniques. Si-29 MAS NMR results suggest the formation of Si-O-X linkages (X: Ti or Zr) by an increase in the ratio of Q(3)/Q(4) in the presence of Ti or Zr. XPS analysis of Ti-SBA-15 catalysts indicate the presence of Ti-O-Si bonds in addition to Ti-O-Ti and Si-O-Si bonds, supporting the NMR evidence.

Multiferroic domain dynamics in strained strontium titanate

Multiferroicity can be induced in strontium titanate by applying biaxial strain. Using optical second harmonic generation, we report a transition from 4/mmm to the ferroelectric mm2 phase, followed by a transition to a ferroelastic-ferroelectric mm2 phase in a strontium titanate thin film. Piezoelectric force microscopy is used to study ferroelectric domain switching. Second harmonic generation, combined with phase-field modeling, is used to reveal the mechanism of coupled ferroelectric-ferroelastic domain wall motion. These studies have relevance to multiferroics with coupled polar and axial phenomena.

Substrate Clamping Effects on Irreversible Domain Wall Dynamics in Lead Zirconate Titanate Thin Films

The role of long-range strain interactions on domain wall dynamics is explored through macroscopic and local measurements of nonlinear behavior in mechanically clamped and released polycrystalline lead zirconate-titanate (PZT) films. Released films show a dramatic change in the global dielectric nonlinearity and its frequency dependence as a function of mechanical clamping. Furthermore, we observe a transition from strong clustering of the nonlinear response for the clamped case to almost uniform nonlinearity for the released film. This behavior is ascribed to increased mobility of domain walls. These results suggest the dominant role of collective strain interactions mediated by the local and global mechanical boundary conditions on the domain wall dynamics. The work presented in this Letter demonstrates that measurements on clamped films may considerably underestimate the piezoelectric coefficients and coupling constants of released structures used in microelectromechanical systems, energy harvesting systems, and microrobots.

Improved diffusive gradients in thin films (DGT) measurement of total dissolved inorganic arsenic in waters and soils using a hydrous zirconium oxide binding layer

Abstract Image

A high-capacity diffusive gradients in thin films (DGT) technique has been developed for measurement of total dissolved inorganic arsenic (As) using a long shelf life binding gel layer containing hydrous zirconium oxide (Zr-oxide). Both As(III) and As(V) were rapidly accumulated in the Zr-oxide gel and could be quantitatively recovered by elution using 1.0 M NaOH for freshwater or a mixture of 1.0 M NaOH and 1.0 M H2O2 for seawater. DGT uptake of As(III) and As(V) increased linearly with deployment time and was independent of pH (2.0–9.1), ionic strength (0.01–750 mM), the coexistence of phosphate (0.25–10 mg P L–1), and the aging of the Zr-oxide gel up to 24 months after production. The capacities of the Zr-oxide DGT were 159 μg As(III) and 434 μg As(V) per device for freshwater and 94 μg As(III) and 152 μg As(V) per device for seawater. These values were 5–29 times and 3–19 times more than those reported for the commonly used ferrihydrite and Metsorb DGTs, respectively. Deployments of the Zr-oxide DGT in As-spiked synthetic seawater provided accurate measurements of total dissolved inorganic As over the 96 h deployment, whereas ferrihydrite and Metsorb DGTs only measured the concentrations accurately up to 24 and 48 h, respectively. Deployments in soils showed that the Zr-oxide DGT was a reliable and robust tool, even for soil samples heavily polluted with As. In contrast, As in these soils was underestimated by ferrihydrite and Metsorb DGTs due to insufficient effective capacities, which were likely suppressed by the competing effects of phosphate.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Tissue healing of immediate implant placement in extraction sockets with titanium versus zirconium oxide implants : an experimental study in the beagle dog

Tese de doutoramento, Medicina Dentária (Periodontologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Dentária, 2016

Podoconiosis in the Ethiopian Rift Valley - Role of beryllium and zirconium

A geogenic origin has been proposed in the aetiology of non-filarial elephantiasis of the feet and legs, recently renamed podoconiosis. Soil collected in an area of the Ethiopian Rift Valley, the borough of Ocholo, known for its high prevalence of podoconiosis (5.06%), has been submitted to mineral analysis. High values of sulphur (S), cerium (Ce), lanthanum (La) and neodymium (Nd), typical for basaltic bedrocks, were found. Of special interest were the values for zirconium (Zr) and beryllium (Be), 618 +/- 87 ppm and 4.6 +/- 0.5 ppm respectively, twice as high as those recorded for soils sampled in neighbouring areas where the prevalence of podoconiosis is low. To be noted also, a high content in vanadium, above 250 ppm, in half of the soil samples collected in this region. Year-long exposure of unprotected feet to Zr and Be, known for their ability to induce granuloma formation in the lymphoid tissue of man, and present in a clay rich in colloidal silica particle, highly abrasive to skin, is doubtlessly a factor involved in the development of lymph node sclerosis leading to elephantiasis.

Surface effect ferromagnetism in pure and reduced strontium titanate

A room temperature ferromagnetic hysteresis is observed in single crystal strontium titanate substrates as purchased from several manufacturers. It was found that polishing all sides of the substrates removed this observed hysteresis, suggesting that the origin of the ferromagnetic behavior resides on the surface of the substrates. X-ray diffraction and energy dispersive x-ray spectra were measured however they were unable to detect any impurity phases. In similar semiconducting oxides it was previously suggested that ferromagnetism could originate in oxygen vacancies or from disorder within the single crystal. To this end substrates were annealed in both air and vacuum in a range of temperatures (600°C to 1100°G) to both create bulk oxygen vacancies and to heal surface damage. Annealing in vacuum was found to create a measureable number of oxygen vacancies however their creation could not be correlated to the ferromagnetic signal of the substrate. Annealing in air was found to effect the remnant moment of the substrate as well as the width of the x-ray diffraction peaks on the unpolished face, weakly suggesting a relation between surface based disorder and ferromagnetism. Argon ion bombardment was employed to create a layer of surface disorder in the polished crystal, however it was not found to induce ferromagnetism. It was found that acid etching was sufficient to remove the ferromagnetism from as purchased samples and similarly simulated handling with stainless steel tweezers was sufficient to re-create the ferromagnetism. It is suggested that the origin of this ferromagnetism in SrTi03 is surface contaminants (mainly iron).

Synthesis of new zirconium complexes

L'étude suivante décrit la synthèse des ligands nacnacxylH, nacnacBnH, nacnacR,RH et nacnacCyH en utilisant une méthode générale qui implique des rendements élevés et des coûts raisonnables, la complexation de ces ligands au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de leurs réactivités. Les complexes de zirconium ont été obtenus en utilisant deux méthodes synthétiques principales : la première consiste en traitement du sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand neutre avec les complexes d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. Le ligand adopte deux modes de coordination avec le Zr. Une coordination 2 est observée dans les complexes octaèdriques contenant un ou deux ligands nacnac. En présence d'un autre ligand ayant une coordonnation 5, par exemple Cp ou Ind, le ligand nacnac se trouve en coordination x avec le centre métallique de zirconium. En solution, les complexes obtenus de (nacnac)2ZrX2 montrent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été obtenus. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2, 2c, n'a pas montré de réactivité dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue dimethylé (nacnacBn)2ZrMe2, 2d, peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. Ce dernier a été prouvé aussi de ne pas être réactif dans la carbozirconation.

Synthesis of new zirconium diketiminate complexes and catalytic applications

Résumé: Dans le but de préparer des complexes de Zr pour la catalyse homogène de la polymérisation des lactides et de l’hydroamination des olefines, l’elaboration et l’optimisation d’une méthode systématique et efficace de synthèse des ligands dikétimines ayant différents substituants alkyles (R) à la position N,N’ a été realisée. Des dikétimines (nacnacRH) symétriques ont été obtenus avec une pureté de plus de 95 % et un rendement de 65 % lorsque R = Me et des rendements allant de 80 à 95 % lorsque le groupe R = n-Pr, i-Pr, i-Bu, Bu, Cy et (+)-CH(Me)Ph. La synthèse des dikétimines ayant des substituants N-alkyls différents, dite asymétriques, donne toujours un mélange statistique de trois ligands: nacnacR,R’H, nacnacR,RH et nacnacR’,R’H qui n’ont pu être separés. Seuls les dikétimines asymétriques avec un substituant N-alkyl et un autre N-aryl (nacnacR,ArH) ont été obtenus avec des rendements plus élevés que celui du mélange statistique. Par la suite, la complexation de ces ligands bidentés au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de la réactivité ont été étudiés. Les complexes de Zr de type (nacnacR)2ZrCl2 ont été obtenus par deux voies de synthèse principales: la première consiste à traiter le sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand avec les complexes neutres d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. En solution, les complexes obtenus de (nacnacR)2ZrX2 possèdent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été calculés. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2 n'est pas réactif dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue diméthylé (nacnacBn)2ZrMe2 peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. On a également observé que ce dernier n’est pas réactif dans la carbozirconation. L‘analogue diéthoxyde (nacnacBn)2Zr(OEt)2 est obtenu par échange des diméthyles avec les éthoxydes. La polymérisation du lactide avec celui-ci en tant que précurseur est relativement lente et ne peut être effectuée que dans le monomère fondu. Par conséquent, pour résoudre les problèmes rencontrés avec les complexes de zirconium (dikétiminates non-pontés), un ligand dikétimines pontés par le diaminocyclohexane, (±)-C6H10(nacnacXylH)2, LH2, (Xyl = 2,6-diméthylphényle) a été préparé. La complexation de ce ligand tetradenté au metal a été réalisée par deux voies de synthèse; la première est la réaction du sel de lithium de ce ligand avec le ZrCl4(THF)2. La deuxième est la déprotonation du ligand neutre avec le Zr(NMe2)4 et l’élimination du diméthylamine. Des complexes du type: (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrX2 avec X = Cl, NMe2 ont été obtenus. Les ligands de chlorure sont dans ce cas facilement remplaçables par des éthoxydes ou des méthyles. On a observé l’activité la plus élevée jamais observée pour un complexe d’un métal du groupe 4 avec le complexe de (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OEt)2 dans la polymérisation de lactide. L'étude cinétique a montré que la loi de vitesse est du premier ordre en catalyseur et en monomère et la constante de vitesse est k = 14 (1) L mol-1 s-1. L'analyse des polymères a montré l’obtention de masses moléculaires faibles et l’abscence de stéréocontrôle. La réaction de (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrCl2 avec le triflate d’argent donne le (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2. Le complexe bis-triflate obtenu possède une activité catalytique elevée pour les additions du type aza-Michael. L’utilisation du R,R-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2 énantiopur comme catalyseur, dans les additions du type aza-Michael asymétriques donne le produit desiré avec un excès énantiomérique de 19%.

Surface electron properties and catalytic activity of cerium-zirconium mixed oxides

The electron donating properties, surface acidity/ basicity and catalytic activity of cerium - zirconium mixed oxides at various compositions have been reported at an activation temperature of 500 degree C. The catalytic activity for the esterification of acetic acid with n-butanol has heen correlated with electron donating properties and surface acidity/basicity of the oxides.

The anions [(ZrOH(CO3)3)2]6− and [(ZrOH(C2O4)3)2]6−: single crystal X-ray diffraction studies of the complexes guanidinium zirconium carbonate [(C(NH2)3)3ZrOH(CO3)3·H2O]2 and sodium zirconium oxalate Na6(ZrOH(C2O4)3)2·7H2O

The complex [(C(NH2)3)3ZrOH(CO3)3·H2O]2 (A) has been shown by means of a single crystal X-ray diffraction study to contain [C(NH2)3]+ cations and dimeric anions of formulation [(ZrOH(CO3)3)2]6−. The anion is centrosymmetric with each metal being bonded to two bridging OH groups and three chelating CO2−3 ions. The Zr atoms are thus eight coordinate with a dodecahedral environments. The ZrO distances formed by the bridgng OH groups are shorter than those formed through zirconiu carbonate interactions. The non-bonded Zr…Zr distance is 3.47(2) Å. An infrared spectroscopic investigation of A provides data which support the findings of the crystallographic study. Likewise the complex Na6(ZrOH(CO2O4)3)2·7H2O (B) contains the anion [(ZrOH(C2O4)3)2]6−. This anion is structurally related to the anion in A as each Zr atom has an eight-coordinate dodecahedral environment being bonded to two bridging OH groups and three chelating oxalate ligands, but has no imposed crysallographic symmetry. The Zr…Zr non-bonded distance is 3.50(1) Å. The OZrO bridge angles are 69.7(4)° and A and 67.4(3)° in B.