Liquid source misted chemical deposition process of three-dimensional nano-ferroelectrics with substrate heating

A modification of liquid source misted chemical deposition process (LSMCD) with heating mist and substrate has developed, and this enabled to control mist penetrability and fluidity on sidewalls of three-dimensional structures and ensure step coverage. A modified LSMCD process allowed a combinatorial approach of Pb(Zr,Ti)O-3 (PZT) thin films and carbon nanotubes (CNTs) toward ultrahigh integration density of ferroelectric random access memories (FeRAMs). The CNTs templates were survived during the crystallization process of deposited PZT film onto CNTs annealed at 650 degrees C in oxygen ambient due to a matter of minute process, so that the thermal budget is quite small. The modified LSMCD process opens up the possibility to realize the nanoscale capacitor structure of ferroelectric PZT film with CNTs electrodes toward ultrahigh integration density FeRAMs.

Mapping Irreversible Electrochemical Processes on the Nanoscale: Ionic Phenomena in Li Ion Conductive Glass Ceramics

A scanning probe microscopy approach for mapping local irreversible electrochemical processes based on detection of bias-induced frequency shifts of cantilevers in contact with the electrochemically active surface is demonstrated. Using Li ion conductive glass ceramic as a model, we demonstrate near unity transference numbers for ionic transport and establish detection limits for current-based and strain-based detection. The tip-induced electrochemical process is shown to be a first-order transformation and nucleation potential is close to the Li metal reduction potential. Spatial variability of the nucleation bias is explored and linked to the local phase composition. These studies both provide insight into nanoscale ionic phenomena in practical Li-ion electrolyte and also open pathways for probing irreversible electrochemical, bias-induced, and thermal transformations in nanoscale systems.

Effect of titania addition on yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics sintered at high temperatures

In order to combine the mechanical properties of yttria-stabilised zirconia (ZrO2-3 mol% Y2O3; code Y-ZrO2) with the bioactivity of titania (TiO2), Y-ZrO2-TiO2, green compacts with 0-40vol.% TiO2 were sintered at 1300, 1400, and 1500degreesC for 4h, respectively. The microstructural features such as grains, pores, and phases were examined using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and energy dispersive spectroscopy (EDX). The mechanical properties such as hardness and toughness were also determined using the methods of Vickers indentation and Knoop indentation. All the composites showed the major tetragonal Y-ZrO2 phase regardless of the content of the added TiO2. However, rutile TiO2 phase was obtained at 1300degreesC, whereas zirconium titanate (ZrTi04) phase was found at 1400 and 1500degreesC. The Y-ZrO2-ZrTiO4 Composites sintered at 1500degreesC showed relatively high hardness (860-1000 kg/mm(2)) and toughness (4.0-4.5 MPa m(0.5)), whereas the Y-ZrO2-TiO2 composites sintered at 1300degreesC had slightly lower hardness (720-950kg/mm(2)) and fracture toughness (3.1-3.3 MPa m(0.5)). (C) 2004 Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l. All rights reserved.

Static and dynamic degradation of sintered calcium phosphate ceramics

The chemical compositions of calcium phosphate materials are similar to that of bone making them very attractive for use in the repair of critical size bone defects. The bioresorption of calcium phosphate occurs principally by dissolution. To determine the impact of composition and flow conditions on dissolution rates, calcium phosphate tablets were prepared by slip casting of ceramic slips with different ratios of hydroxyapatite (HA) and ß-tricalcium phosphate (ß-TCP). Dissolution was evaluated at pH4 using both a static and dynamic flow regime. Both the composition of the HA:ß-TCP tablet and flow regime noticeably influenced the rate of dissolution; the 50:50 HA:ß-TCP composition demonstrating the greatest level of dissolution, and, exposure of the ceramic specimens to dynamic conditions producing the highest rate of dissolution. Understanding the impact of phase composition and flow condition with respect to the dissolution of calcium phosphate will aid in the development and improvement of materials for bone substitution.

Interlaboratory studies on in vitro test methods for estimating in vivo resorption of calcium phosphate ceramics

A potential standard method for measuring the relative dissolution rate to estimate the resorbability of calcium-phosphate-based ceramics is proposed. Tricalcium phosphate (TCP), magnesium-substituted TCP (MgTCP) and zinc-substituted TCP (ZnTCP) were dissolved in a buffer solution free of calcium and phosphate ions at pH 4.0, 5.5 or 7.3 at nine research centers. Relative values of the initial dissolution rate (relative dissolution rates) were in good agreement among the centers. The relative dissolution rate coincided with the relative volume of resorption pits of ZnTCP in vitro. The relative dissolution rate coincided with the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between microporous MgTCPs with different Mg contents and similar porosity. However, the relative dissolution rate was in poor agreement with the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between microporous TCP and MgTCP due to the superimposition of the Mg-mediated decrease in TCP solubility on the Mg-mediated increase in the amount of resorption. An unambiguous conclusion could not be made as to whether the relative dissolution rate is predictive of the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between TCPs with different porosity. The relative dissolution rate may be useful for predicting the relative amount of resorption for calcium-phosphate-based ceramics having different solubility under the condition that the differences in the materials compared have little impact on the resorption process such as the number and activity of resorbing cells.

Clinopyroxene based glasses and glass-ceramics for functional applications

As piroxenas são um vasto grupo de silicatos minerais encontrados em muitas rochas ígneas e metamórficas. Na sua forma mais simples, estes silicatos são constituídas por cadeias de SiO3 ligando grupos tetrahédricos de SiO4. A fórmula química geral das piroxenas é M2M1T2O6, onde M2 se refere a catiões geralmente em uma coordenação octaédrica distorcida (Mg2+, Fe2+, Mn2+, Li+, Ca2+, Na+), M1 refere-se a catiões numa coordenação octaédrica regular (Al3+, Fe3+, Ti4+, Cr3+, V3+, Ti3+, Zr4+, Sc3+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+), e T a catiões em coordenação tetrahédrica (Si4+, Al3+, Fe3+). As piroxenas com estrutura monoclínica são designadas de clinopiroxenes. A estabilidade das clinopyroxenes num espectro de composições químicas amplo, em conjugação com a possibilidade de ajustar as suas propriedades físicas e químicas e a durabilidade química, têm gerado um interesse mundial devido a suas aplicações em ciência e tecnologia de materiais. Este trabalho trata do desenvolvimento de vidros e de vitro-cerâmicos baseadas de clinopiroxenas para aplicações funcionais. O estudo teve objectivos científicos e tecnológicos; nomeadamente, adquirir conhecimentos fundamentais sobre a formação de fases cristalinas e soluções sólidas em determinados sistemas vitro-cerâmicos, e avaliar a viabilidade de aplicação dos novos materiais em diferentes áreas tecnológicas, com especial ênfase sobre a selagem em células de combustível de óxido sólido (SOFC). Com este intuito, prepararam-se vários vidros e materiais vitro-cerâmicos ao longo das juntas Enstatite (MgSiO3) - diopsídio (CaMgSi2O6) e diopsídio (CaMgSi2O6) - Ca - Tschermak (CaAlSi2O6), os quais foram caracterizados através de um vasto leque de técnicas. Todos os vidros foram preparados por fusão-arrefecimento enquanto os vitro-cerâmicos foram obtidos quer por sinterização e cristalização de fritas, quer por nucleação e cristalização de vidros monolíticos. Estudaram-se ainda os efeitos de várias substituições iónicas em composições de diopsídio contendo Al na estrutura, sinterização e no comportamento durante a cristalização de vidros e nas propriedades dos materiais vitro-cerâmicos, com relevância para a sua aplicação como selantes em SOFC. Verificou-se que Foi observado que os vidros/vitro-cerâmicos à base de enstatite não apresentavam as características necessárias para serem usados como materiais selantes em SOFC, enquanto as melhores propriedades apresentadas pelos vitro-cerâmicos à base de diopsídio qualificaram-nos para futuros estudos neste tipo de aplicações. Para além de investigar a adequação dos vitro-cerâmicos à base de clinopyroxene como selantes, esta tese tem também como objetivo estudar a influência dos agentes de nucleação na nucleação em volume dos vitro-cerâmicos resultantes á base de diopsídio, de modo a qualificá-los como potenciais materiais hopedeiros de resíduos nucleares radioactivos.

Piezoresponse force microscopy of ferroelectric relaxors

Nesta tese, ferroeléctricos relaxor (I dont know uf the order is correct) de base Pb das familias (Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT), Pb(Mg1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Zn1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT) foram investigados e analisados. As propriedades ferroeléctricas e dieléctricas das amostras foram estudadas por métodos convencionais de macro e localmente por microscopia de força piezoeléctrica (PFM). Nos cerâmicos PLZT 9.75/65/35 o contraste da PFM à escala nanometrica _ foi investigado em função do tamanho e orientação dos grãos. Apurou-se que a intensidade do sinal piezoeléctrico das nanoestruturas diminui com o aumento da temperatura e desaparece a 490 K (La mol. 8%) e 420 K (9,5%). Os ciclos de histerese locais foram obtidos em função da temperatura. A evolução dos parâmetros macroscópicos e locais com a temperatura de superfície sugere um forte efeito de superfície nas transições de fase ferroeléctricas do material investigado. A rugosidade da parede de domínio é determinada por PFM para a estrutura de domínio natural existente neste ferroeléctrico policristalino. Além disso, os domínios ferroeléctricos artificiais foram criados pela aplicação de pulsos eléctricos à ponta do condutor PFM e o tamanho de domínio in-plane foi medido em função da duração do pulso. Todas estas experiências levaram à conclusão de que a parede de domínio em relaxors do tipo PZT é quase uma interface unidimensional. O mecanismo de contraste na superfície de relaxors do tipo PLZT é medido por PFMAs estruturas de domínio versus evolução da profundidade foram estudadas em cristais PZN-4,5%PT, com diferentes orientações através da PFM. Padrões de domínio irregulares com tamanhos típicos de 20-100 nm foram observados nas superfícies com orientação <001> das amostras unpoled?. Pelo contrário, os cortes de cristal <111> exibem domínios regulares de tamanho mícron normal, com os limites do domínio orientados ao longo dos planos cristalográficos permitidos. A existência de nanodomínios em cristais com orientação <001> está provisoriamente (wrong Word) atribuída à natureza relaxor de PZN-PT, onde pequenos grupos polares podem formar-se em coindições de zero-field-cooling (ZFC). Estes nanodomínios são considerados como os núcleos do estado de polarização oposta e podem ser responsáveis pelo menor campo coercitivo para este corte de cristal em particular. No entanto, a histerese local piezoelétrica realizada pelo PFM à escala nanométrica indica uma mudança de comportamento de PZN-PT semelhante para ambas as orientações cristalográficas investigadas. A evolução das estruturas de domínio com polimento abaixo da superfície do cristal foi investigada. O domínio de ramificações e os efeitos de polarização de triagem após o polimento e as medições de temperatura têm sido estudados pela PFM e pela análise SEM. Além disso, verificou-se que a intensidade do sinal piezoeléctrico a partir das estruturas de nanodomínio diminui com o aumento da temperatura, acabando por desaparecer aos 430 K (orientaçáo <111>) e 470 K (orientação <100>). Esta diferença de temperatura nas transições de fase local em cristais de diferentes orientações é explicada pelo forte efeito de superfície na transição da fase ferroelétrica em relaxors.A comutação da polarização em relaxor ergódico e nas fases ferroeléctricas do sistema PMN-PT foram realizadas pela combinação de três métodos, Microscopia de Força Piezoeléctrica, medição de um único ponto de relaxamento eletromecânico e por ultimo mapeamento de espectroscopia de tensão. A dependência do comportamento do relaxamento na amplitude e tempo da tensão de pulso foi encontrada para seguir um comportamento logarítmico universal com uma inclinação quase constante. Este comportamento é indicativo da progressiva população dos estados de relaxamento lento, ao contrário de uma relaxação linear na presença de uma ampla distribuição do tempo de relaxamento. O papel do comportamento de relaxamento, da não-linearidade ferroeléctrica e da heterogeneidade espacial do campo na ponta da sonda de AFM sobre o comportamento do ciclo de histerese é analisada em detalhe. Os ciclos de histerese para ergódica PMN- 10%PT são mostrados como cineticamente limitados, enquanto que no PMN, com maior teor de PT, são observados verdadeiros ciclos de histerese ferroeléctrica com viés de baixa nucleação.