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.

Preparation and properties of ferroelectric BaTiO3 thin films produced by the polymeric precursor method

Ferroelectric barium titanate thin films were produced by the polymeric precursor method. In this technique, the desired metal cations are chelated in a solution using a hydroxycarboxylic acid as the chelating agent. Barium carbonate and titanium IV isopropoxide were used as precursors for the citrate solution. Ethylene glycol and citric acid were used as polymerization/complexation agents for the process. The crystalline structure of the film annealed at 700 °C had a single perovskite phase with a tetragonal structure. The BaTiO3 film showed good P-E hysteresis loops and C-V characteristics due to the switched ferroelectric domains.

Dielectric and ferroelectric properties of PZT and PT thin films for saw sensors applications

It is very important for the building of the SAW devices to study dielectric and ferroelectrics properties because every SAW device is based in piezoelectric effect that it is made up to transform an electric sign in the mechanical or acoustic sign and a mechanical or acoustic sign in an electric sign. Thus, the purpose of the present work is to prepare PbZr 0,53Ti0.47O3 (PZT) and PbTiO3 (PT) thin films on the Si (100) substrates across spin-coating using a chemical method based in polymeric precursors. After conventional treatment in the furnace, the films were characterized by impedance spectroscopy and hysteresis loops to know its dielectric and ferroelectric properties.

Ferroelectric switching and dielectric response of P(VDF-TrFE)/PMMA blends

The ferroelectric and the dielectric behaviors of binary blends formed by an equi-molar Poly(vinylidene fluoride trifluoroethylene) copolymer [P(VDF-TrFE)] and Poly(methyl methacrylate) [PMMA] were investigated, for several PMMA compositions. For 40 wt.% or more PMMA contents, the blends are completely amorphous. Below this value, they crystallize in the usual Cm2m polar structure of P(VDF-TrFE). The ferroelectric switching characteristics and the dielectric response of the blends demonstrate the formation of dynamically stable ferroelectric domains. Moreover, the blended films are highly transparent in the optical region. Therefore, thin films of these binary blends are good candidates as host materials for nonlinear optical applications.

Dielectric properties of Pb Nb2 O6 ferroelectric ceramics at cryogenic temperatures

Complex dielectric permittivity measurements in Pb Nb2 O6 ceramics were performed in a frequency and temperature range of 1 kHz-1 MHz and from 15 to 900 K, respectively. The results revealed two dielectric anomalies showing typical characteristics of relaxor ferroelectric materials at cryogenic temperatures. Comparison with other tetragonal tungsten bronze (TTB) structure-type materials suggests the existence of successive phase transitions, which until now were not reported. The observed low temperature dielectric behaviors seem to be due to intrinsic physical characteristics related to the TTB structure. © 2007 American Institute of Physics.

Ferroelectric and dielectric characteristics of Bi3.25La0.75Ti3O12 thin films prepared by the polymeric precursor method

The ferroelectric properties and leakage current mechanisms of preferred oriented Bi3.25La0.75 Ti3O12 (BLT) thin films deposited on La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO) by the polymeric precursor method were investigated. Atomic force microscopy indicates that the deposited films exhibit a dense microstructure with a rather smooth surface morphology. The improved ferroelectric and leakage current characteristics can be ascribed to the plate-like grains of the BLT films. © 2006 Trans Tech Publications, Switzerland.

The effect of barium substitution on the ferroelectric properties of Sr2 Nb2 O7 Ceramics

This work revealed that the solid solution compounds of Sr 2-xBaxNb2O7 are promising lead-free materials for high-temperature piezoelectric sensor application. These compounds were confirmed as ferroelectric materials with high Curie points (> 900°C) by their piezoelectric activity after poling, ferroelectric domain switching in their P-E hysteresis loops and thermal depoling behavior. The effect of Ba substitution on the structure and properties of Sr 2-xBaxNb2O7 (x < 1.0) was investigated. The solid solution limit of Sr2-xBaxNb 2O7 was determined by XRD as x < 0.6. The a-, b-, c- axes, and cell volume increase with Ba addition. The textured ceramics of Sr2-xBaxNb2O7 were prepared for the first time. The highest d33 was measured as 3.6 ± 0.1 pC/N for Sr1.8Ba0.2Nb2O7. © 2012 The American Ceramic Society.

Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

(Quantum-) critical dynamics of magnetoelectric materials

In this thesis the critical dynamics of several magnetoelectric compounds at their phase transition were examined. Mostly measurements of the dielectric properties in the frequency range of below 1 Hz up to 5 GHz were employed to evaluate the critical exponents for both magnetic field and temperature-dependent measurements. Most of the materials that are part of this work show anomalous behavior, especially at very low temperatures where quantum fluctuations are of the order of or even dominate those induced thermally. This anomalous behavior manifests in different forms. In Dy2Ti2O7 we demonstrate the existence of electric dipoles on magnetic monopoles. Here the dynamics at the critical endpoint located at 0.36K and in a magnetic field of 1T parallel to the [111] direction are of special interest. At this critical endpoint the expected critical slowing down of the dynamics could not only not be observed but instead the opposite, critical speeding-up by several orders of magnitude, could be demonstrated. Furthermore, we show that the phase diagram of Dy2Ti2O7 in this field direction can be reproduced solely from the dynamical properties, for example the resonance frequency of the observed relaxation that is connected to the monopole movement. Away from this point of the phase diagram the dynamics are slowing-down with reduction of temperature as one would expect. Additional measurements on Y2Ti2O7, a structurally identical but non-magnetic material, show only slowing down with reduction of temperature and no additional features. A possible explanation for the observed critical speeding-up is a coherent movement of magnetic monopoles close to the critical field that increases the resonance frequency by reducing the damping of the process. LiCuVO4 on the other hand behaves normally at its phase transition as long as the temperature is higher than 0.4 K. In this temperature regime the dynamics show critical slowing-down analogous to classical ferroelectric materials. This analogy extends also towards higher frequencies where the permittivity displays a ‘dispersion’ minimum that is temperature-dependent but of the order of 2 GHz. Below 0.4K the observed behavior changes drastically. Here we found no longer relaxational behavior but instead an excitation with very low energy. This low energy excitation was predicted by theory and is caused by nearly gapless soliton excitations within the 1D Cu2+ chains of LiCuVO4. Finally, in TbMnO3 the dynamics of the phase transition into the multiferroic phase was observed at roughly 27 K, a much higher temperature compared to the other materials. Here the expected critical slowing-down was observed, even though in low-frequency measurements this transition into the ferroelectric phase is overshadowed by the so-called c-axis relaxation. Therefore, only frequencies above 1MHz could be used to determine the critical exponents for both temperatureand magnetic-field-dependent measurements. This was done for both the peak frequency as well as the relaxation strength. In TbMnO3 an electromagnetic soft-mode with small optical weight causes the observed fluctuations, similar to the case of multiferroic MnWO4.

Phase mapping of domain kinetics in lithium niobate by digital holographic interferometry

The phase mapping of domain kinetics under the uniform steady-state electric field is achieved and investigated in the LiNbO3 crystals by digital holographic interferometry. We obtained the sequences of reconstructed three-dimensional and two-dimensional wave-field phase distributions during the electric poling in the congruent and near stoichiometric LiNbO3 crystals. The phase mapping of individual domain nucleation and growth in the two crystals are obtained. It is found that both longitudinal and lateral domain growths are not linear during the electric poling. The phase mapping of domain wall motions in the two crystals is also obtained. Both the phase relaxation and the pinning-depinning mechanism are observed during the domain wall motion. The residual phase distribution is observed after the high-speed domain wall motion. The corresponding analyses and discussions are proposed to explain the phenomena.

Identificação da formação de titanato de bário a partir de mistura reacional calcinada em diferentes temperaturas via difração de raios X, espectroscopia fotoacústica e análise térmica

Os materiais ferroelétricos têm sido utilizados em muitas áreas da tecnologia e da ciência, pois possuem um grande número de aplicações, como: sensores; transdutores; capacitores; dispositivos ópticos; dentre outras. A busca por novos materiais cerâmicos ferroelétricos tem sido grande. Um dos materiais cerâmicos ferroelétricos mais estudados é o titanato de bário (BT). São vários os métodos de produção e caracterização do titanato de bário. Neste trabalho, pós cerâmicos de titanato de bário foram obtidos por reação do estado sólido a partir de misturas reacionais calcinadas em diferentes temperaturas entre 400C e 900C. Foram três as misturas reacionais: não dopadas; dopadas com 1%; e dopadas com 5% de dióxido de cério (CeO2). A identificação da formação do BT, nos pós cerâmicos produzidos, foi feita a partir de três técnicas de caracterização: difração de raios X (DRX); espectroscopia fotoacústica (PAS); e técnicas de análise térmica. Com a técnica DRX, difratogramas mostraram que a plena formação do titanato de bário ocorreu a partir da temperatura de calcinação de 700C. Para a amostra não dopada com cério e calcinada a 800C, houve deslocamento de todos os picos de difração. Nas amostras dopadas com dióxido de cério houve deslocamento de todos os picos de difração, em relação as amostras não dopadas. Observou-se também que nas amostras dopadas com 5% de CeO2, e calcinadas a 700C e 800C, resíduos de dióxido de cério foram observados nos difratogramas. Com a técnica PAS, espectros de absorção foram obtidos. Foi possível observar uma grande diferença de absorção da amostra calcinada a 600 e 630C, indicando a formação do titanato de bário a partir da temperatura de 630C, nas amostras sem a dopagem dióxido de cério. Houve um alargamento nas bandas de absorção a partir da temperatura de 600C, quando o dióxido de cério entrou na matriz. Foi também possível determinar as energias de band-gap das amostras utilizando o método de Tauc. Com as técnicas de análise térmica, em especial através da técnica termogravimétrica (TG/DTG), foi comprovado que até 400C não havia formação de titanato de bário. Visto que nesta temperatura de calcinação houve a maior perda de massa durante a rampa de aquecimento. O início da formação do titanato de bário foi observado a partir da temperatura de calcinação de 500C, assim como nas técnicas DRX e PAS. Portanto, com os resultados apresentados, foi demonstrada a identificação da formação do titanato de bário nas misturas reacionais calcinadas, com auxílio das potencialidades das três técnicas utilizadas.

Mesoscale flux-closure domain formation in single-crystal BaTiO3

Over 60 years ago, Charles Kittel predicted that quadrant domains should spontaneously form in small ferromagnetic platelets. He expected that the direction of magnetization within each quadrant should lie parallel to the platelet surface, minimizing demagnetizing fields, and that magnetic moments should be configured into an overall closed loop, or flux-closure arrangement. Although now a ubiquitous observation in ferromagnets, obvious flux-closure patterns have been somewhat elusive in ferroelectric materials. This is despite the analogous behaviour between these two ferroic subgroups and the recent prediction of dipole closure states by atomistic simulations research. Here we show Piezoresponse Force Microscopy images of mesoscopic dipole closure patterns in free-standing, single-crystal lamellae of BaTiO3. Formation of these patterns is a dynamical process resulting from system relaxation after the BaTiO3 has been poled with a uniform electric field. The flux-closure states are composed of shape conserving 90° stripe domains which minimize disclination stresses.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Electrical properties of lanthanum doped Bi4Ti3O12 thin films annealed in different atmospheres

Pure-and lanthanun doped Bi4Ti3O12 thin films were deposited on Pt/Ti/SiO2/Si substrate using a polymeric precursor solution. Annealing in static air and oxygen atmosphere was performed at 700 degrees C for 2 h. The obtained films were characterized by X-ray diffraction and atomic force microscopy. The dielectric constant and dissipation factor were measured in the frequency region from 1 kHz to 1 MHz. Electrical characterization of the films pointed to ferroelectricity via hysteresis loop. Films annealed in static air possess a dielectric constant higher than films annealed in oxygen atmosphere due to differences in the grain size, crystallinity and structural defects. A regularly shaped hystereses loop is observed after annealing in static air. The obtained results suggest that the annealing in oxygen atmosphere can increase the trapped charge and the relaxation phenomenon. (c) 2006 Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l. All rights reserved.

Hyperfine interaction measurements on ceramics: PZT revisited

The solid solution of PbZr1-xTixO3, known as lead-zirconate titanate (PZT), was probably one of the most studied ferroelectric materials, especially due to its excellent dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. The highest piezoelectric coefficients of the PZT are found near the morphotropic phase boundary (MPB) (0.46 <= x <= 0.49), between the tetragonal and rhombohedral regions of the composition-temperature phase diagram. Recently, a new monoclinic phase near the MPB was observed, which can be considered as a bridge between PZT's tetragonal and rhombohedral phases. This work is concerned with the study of the structural properties of the ferroelectric PZT (Zr/Ti = 52/48, 53/47) by hypertine interaction (HI) measurements obtained from experiments performed by using the nuclear spectroscopy time differential perturbed angular correlation (TDPAC) in a wide temperature range. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.