Calcium modified lead titanate/poly-ether-ether-ketone composite for acoustic emission sensors

Composites made of calcium modified lead titanate ceramic powder and poly (ether-ether-ketone) high performance polymer matrix were prepared in the film form using a hot press. The acoustic and electromechanical properties of the composites have been determined using the ultrasonic immersion technique and piezoelectric spectroscopy, respectively. The composite film with 60 - 40 vol.% PTCa/PEEK was tested as acoustic emission detector. Preliminary results shown that the piezo composite can be used as sensor to evaluate the behavior of materials.

Nanostructured ferroelectric materials

Nanostructured materials are central to the evolution of future electronics and information technologies. Ferroelectrics have already been established as a dominant branch in the electronics sector because of their diverse application range such as ferroelectric memories, ferroelectric tunnel junctions, etc. The on-going dimensional downscaling of materials to allow packing of increased numbers of components onto integrated circuits provides the momentum for the evolution of nanostructured ferroelectric materials and devices. Nanoscaling of ferroelectric materials can result in a modification of their functionality, such as phase transition temperature or Curie temperature (TC), domain dynamics, dielectric constant, coercive field, spontaneous polarisation and piezoelectric response. Furthermore, nanoscaling can be used to form high density arrays of monodomain ferroelectric nanostructures, which is desirable for the miniaturisation of memory devices. This thesis details the use of various types of nanostructuring approaches to fabricate arrays of ferroelectric nanostructures, particularly non-oxide based systems. The introductory chapter reviews some exemplary research breakthroughs in the synthesis, characterisation and applications of nanoscale ferroelectric materials over the last decade, with priority given to novel synthetic strategies. Chapter 2 provides an overview of the experimental methods and characterisation tools used to produce and probe the properties of nanostructured antimony sulphide (Sb2S3), antimony sulpho iodide (SbSI) and lead titanate zirconate (PZT). In particular, Chapter 2 details the general principles of piezoresponse microscopy (PFM). Chapter 3 highlights the fabrication of arrays of Sb2S3 nanowires with variable diameters using newly developed solventless template-based approach. A detailed account of domain imaging and polarisation switching of these nanowire arrays is also provided. Chapter 4 details the preparation of vertically aligned arrays of SbSI nanorods and nanowires using a surface-roughness assisted vapour-phase deposition method. The qualitative and quantitative nanoscale ferroelectric properties of these nanostructures are also discussed. Chapter 5 highlights the fabrication of highly ordered arrays of PZT nanodots using block copolymer self-assembled templates and their ferroelectric characterisation using PFM. Chapter 6 summarises the conclusions drawn from the results reported in chapters 3, 4 and 5 and the future work.

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.

Lead free heterogeneous multilayers with giant magneto electric coupling for microelectronics/microelectromechanical systems applications

Lead free magneto electrics with a strong sub resonant (broad frequency range) magneto electric coupling coefficient (MECC) is the goal of the day which can revolutionise the microelectronics and microelectromechanical systems (MEMS) industry. We report giant resonant MECC in lead free nanograined Barium Titanate–CoFe (Alloy)-Barium Titanate [BTO-CoFe-BTO] sandwiched thin films. The resonant MECC values obtained here are the highest values recorded in thin films/ multilayers. Sub-resonant MECC values are quite comparable to the highest MECC reported in 2-2 layered structures. MECC got enhanced by two orders at a low frequency resonance. The results show the potential of these thin films for transducer, magnetic field assisted energy harvesters, switching devices, and storage applications. Some possible device integration techniques are also discussed

Effect of strontium addition on ferroelectric phase transition of PZT thin films prepared by chemical route

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Photoluminescence properties of PZT 52/48 synthesized by microwave hydrothermal method using PVA with template

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mechanically activating formation of layered structured bismuth titanate

Bismuth titanatc-Bi(4)Ti(3)O(12) (BIT) with wide application in the electronic industry as capacitors, memory devices and sensors is the simplest compound in the Aurivillius family, which consists of (Bi(2)O(2))(2+) sheets alternating with (Bi(2)T(i)3O(10))(2-) perovskite-like layers. The synthesis of more resistive BIT ceramics would be preferable advance in obtaining of well-densified ceramic with small grains randomly oriented to limit the conductivity along the (Bi(2)O(2))(2+) layers. Having in mind that the conventional ceramic route for the synthesis can lead to non-stoichiometry in composition, in consequence of the undesirable loss in bismuth content through volatilization of Bi(2)O(3) at elevated temperature, our efforts were addressed to preparation of BIT by mechanical activation the constituent oxides. The nucleation and phase formation of BIT, crystal structure, microstructure, powder particle size and specific surface area were followed by XRD, Rietveld refinement analysis, thermal analysis, scanning electron microscopy (SEM) and the BET specific surface area measurements. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ferroelectric and piezoelectric properties of bismuth titanate thin films grown on different bottom electrodes by soft chemical solution and microwave annealing

Bismuth titanate (Bi4Ti3O12, BIT) films were evaluated for use as lead-free piezoelectric thin films in micro-electromechanical systems. The films were grown by the polymeric precursor method on LaNiO3/SiO2/Si (1 0 0) (LNO), RuO2/SiO2/Si (1 0 0) (RuO2) and Pt/Ti/SiO2/Si (1 0 0) (Pt) bottom electrodes in a microwave furnace at 700 degrees C for 10 min. The domain structure was investigated by piezoresponse force microscopy (PFM). Although the converse piezoelectric coefficient, d(33), regardless of bottom electrode is around (similar to 40 pm/V), those over RuO2 and LNO exhibit better ferroelectric properties, higher remanent polarization (15 and 10 mu C/cm(2)), lower drive voltages (2.6 and 1.3 V) and are fatigue-free. The experimental results demonstrated that the combination of the polymeric precursor method assisted with a microwave furnace is a promising technique to obtain films with good qualities for applications in ferroelectric and piezoelectric devices. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Luminescence in semi-crystalline zirconium titanate doped with lanthanum

This paper aims to describe the synthesis of the semi-crystalline and crystalline powder of lanthanum doped with zirconium titanate (65/35), LZT through Pechini method. The analysis done by Raman demonstrated that semi-crystalline phase at 550 degrees C and crystalline phase after 600 degrees C were formed. The XRD pattern shows the ZrTiO4 phase formation demonstrating that La substitutions into the lattice take place. The calcined powder at different temperatures shows a semi-crystalline phase presenting photoluminescence effect when processed at low temperatures. From 300 to 400 degrees C a broadband is observed at 563 nm and 568 nm, respectively. Defects creation such as: Zr3+ center dot Vo(center dot center dot) and Ti3+ - V-O(center dot center dot), Zr and Ti replaced by La with vacancy formation, impurities and imperfections contributed to the photoluminescence effect. However, the main emission is due to a reverse Ti4+ -> O2- or/and Zr4+ -> O2- transition that occur within a regular titanate or zirconate eight-fold coordination [BO8-delta], B = Zr4+, Ti4+. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electrical properties of a composite of Polyurethane and ferroelectric ceramics

Ferroelectric ceramic particles based on lead titanate zirconate (PZT) were dispersed in a polymer matrix based on castor oil. After the poling process, the pyroelectric activity of this composite was measured using a direct method in which a linear heating rate was applied to the pre-poled samples. The pyroelectric coefficient at 343 K is comparable with that of a PZT-poly(vinylidene fluoride) (PVDF) composite and significantly higher than that of PVDF. © 1998 Kluwer Academic Publishers.

Pressure-induced phase transitions in Zr-rich PbZr1-xTixO3 ceramics

A Raman study of structural changes in the Zr-rich PbZr1-x TixO3 (PZT) system under hydrostatic pressures up to 5.0 GPa is presented. We observe that externally applied pressure induces several phase transitions in PZT ceramics among phases with orthorhombic (Ao), rhombohedral low-temperature (RLT), and rhombohedral high-temperature (RHT) symmetries (all found in PZT at ambient pressure and room temperature). Each of the compositions investigated (0.02 ≤ x ≤ 0.14) exhibits a high-pressure phase with orthorhombic (OI′) symmetry. We further report a detailed study of the pressure dependence of Raman frequencies to elucidate the phase transitions and to provide a set of pressure coefficients for the high-pressure phases.

Effect of barium titanate seed particles on the sintering and lattice parameters in PbMg1/3Nb2/3O3 ceramics

PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN) powder was prepared by citrate organic solution, and barium titanate (BT) seed particles were added to encourage the perovskite phase formation. Sintering was followed using the constant heating rate mode of a dilatometer, and it was observed that the seed concentration affected the PMN shrinkage rate and crystal structure. The study of the lattice parameters of the samples after the sintering process indicates that the diffusion of the titanium and of the barium inside perovskite and pyrochlore PMN phases occurs. Moreover, this substitution provoked a decrease of the lattice parameters as showed by the Rietveld refinement.

Microscopic and dielectric analyses of vanadium and tungsten modified barium zirconium titanate ceramics

Dielectric spectroscopy was used in this study to examine polycrystalline vanadium and tungstendoped BaZr 0.1Ti 0.90O 3 (BZT10:2V and BZT10:2W) ceramics obtained by the mixed oxide method. According to X-ray diffraction analyses, addition of vanadium and tungsten lead to ceramics free of secondary phases. SEM analyses reveal that both dopants result in slower oxygen ion motion and consequently lower grain growth rate. Temperature dependence dielectric study showed normal ferroelectric to paraelectric transition well above the room temperature for the BZT10 and BZT10:2V ceramics. However, BZT10:2W ceramic showed a relaxor-like behavior near phase transition characterized by the empirical parameter γ. Piezoelectric force microscopy images reveals that the piezoelectric coefficient is strongly influenced by type of donor dopant suggesting promising applications for dynamic random access memories and data-storage media. Copyright © 2010 American Scientific Publishers All rights reserved.

Determination of preventive maintenance lead time using hybrid analysis

The time for conducting Preventive Maintenance (PM) on an asset is often determined using a predefined alarm limit based on trends of a hazard function. In this paper, the authors propose using both hazard and reliability functions to improve the accuracy of the prediction particularly when the failure characteristic of the asset whole life is modelled using different failure distributions for the different stages of the life of the asset. The proposed method is validated using simulations and case studies.