Strontium titanate films prepared by spray pyrolysis

Strontium titanate thin films were prepared by spray pyrolysis technique. Deposition parameters, such as solution concentration, time and temperature of deposition, and flow rate of carrier gas were optimized to obtain dense films without cracks. Films with different thicknesses were prepared through the control of deposition time. Prepared thin films were homogeneous, well crystallized, with uniform grain size. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Structural phase evolution of strontium-doped lead titanate thin films prepared by the soft chemical technique

Strontium-modified lead titanate thin films with composition Pb1-xSrxTiO3 were grown on Pt/Ti/SiO2/Si substrates using the polymeric precursor method. The structural phase evolution as a function of the Sr contents was studied using micro-Raman scattering, specular reflectance infrared Fourier transform spectroscopy, and x-ray diffraction. The results showed a gradual change from tetragonal to cubic structure, the transition occurring at about x = 0.58. The infrared reflectance spectra showed that the frequency of several peaks decreases as the strontium concentration increases. These features are correlated with a decrease in the tetragonal distortion of the TiO6 octahedra as the strontium concentration increases.

Crystal growth and photoluminescence of europium-doped strontium titanate prepared by a microwave hydrothermal method

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

Low temperature sintering semiconducting barium strontium titanate

Low temperature sintering has become a very important research area in ceramics processing and sintering as a promising process to obtain grain size below 100nm. For electronic ceramics, low temperature sintering is particularly difficult, because not only the required microstructure but also the desired electronic properties should be obtained. In this dissertation, the effect of liquid sintering aids and particle size (micrometer and nanometer) on sintering temperature and Positive Temperature Coefficient Resistivity (PTCR) property are investigated for Ba1-xSrxTiO3 (BST) doped with 0.2-0.3mol% Sb3+ (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5). Different sintering aids with low melting point are used as sintering aids to decrease the sintering temperature for micrometer size BST particles. Micrometer size and nanometer size Ba1-xSrxTiO 3 (BST) particles are used to demonstrate the particle size effect on the sintering temperature for semiconducting BST. To reduce the sintering temperature, three processes are developed, i.e. 1 using sol-gel nanometer size Sb3+ doped powders with a sintering aid; 2 using micrometer size powders plus a sintering aid; and 3 using nanometer size Sb3+ doped powders with sintering aids. Grain size effect on PTCR characteristics is investigated through comparison between micrometer size powder sintered pellets and nanometer size powder sintered pellets. The former has lower resistivity at temperatures below the Curie temperature (Tc) and high resistivity at temperatures above the Curie temperature (Tc) along with higher ρ max/ρmin ratio (ρmax is the highest resistivity at temperatures above Tc, ρmin is the lowest resistivity at temperatures below Tc), whereas the latter has both higher ρ max and ρmin. Also, ρmax/ρmin is smaller than that of pellets with larger grain size. The reason is that the solid with small grain size has more grain boundaries than the solid with large grain size. The contribution z at room temperature and high temperature and a lower ρmax/ρmin ratio value.

Low Temperature Sintering Semiconductive Barium Strontium Titanate

Low temperature sintering has become a very important research area in ceramics processing and sintering as a promising process to obtain grain size below 100nm. For electronic ceramics, low temperature sintering is particularly difficult, because not only the required microstructure but also the desired electronic properties should be obtained. In this dissertation, the effect of liquid sintering aids and particle size (micrometer and nanometer) on sintering temperature and Positive Temperature Coefficient Resistivity (PTCR) property are investigated for Ba1-xSrxTiO3 (BST) doped with 0.2-0.3mol% Sb3+ (x = 0.1,0.2,0.3,0.4 and 0.5). Different sintering aids with low melting point are used as sintering aids to decrease the sintering temperature for micrometer size BST particles. Micrometer size and nanometer size Ba1-xSrxTiO3 (BST) particles are used to demonstrate the particle size effect on the sintering temperature for semiconducting BST. To reduce the sintering temperature, three processes are developed, i.e. 1 using sol-gel nanometer size Sb3+ doped powders with a sintering aid; 2 using micrometer size powders plus a sintering aid; and 3 using nanometer size Sb3+ doped powders with sintering aids. Grain size effect on PTCR characteristics is investigated through comparison between micrometer size powder sintered pellets and nanometer size powder sintered pellets. The former has lower resistivity at temperatures below the Curie temperature (Tc) and high resistivity at temperatures above the Curie temperature (Tc) along with higher ñmax/ñmin ratio (ñmax is the highest resistivity at temperatures above Tc, ñmin is the lowest resistivity at temperatures below Tc), whereas the latter has both higher ñmax and ñmin. Also, ñmax/ñmin is smaller than that of pellets with larger grain size. The reason is that the solid with small grain size has more grain boundaries than the solid with large grain size. The contribution z at room temperature and high temperature and a lower ñmax/ñmin ratio value.

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.

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)

Influence of strains and defects on ferroelectric and dielectric properties of thin-film barium-strontium titanates

Pristine, W and Mn 1% doped Ba(0.6)Sr(0.4)TiO(3) epitaxial thin films grown on the LaAlO(3) substrate were deposited by pulsed laser deposition (PLD). Dielectric and ferroelectric properties were determined by the capacitance measurements and X-ray diffraction was used to determine both residual elastic strains and defect-related inhomogeneous strains-by analyzing diffraction line shifts and line broadening, respectively. We found that both elastic and inhomogeneous strains are affected by doping. This strain correlates with the change in Curie-Weiss temperature and can qualitatively explain changes in dielectric loss. To explain the experimental findings, we model the dielectric and ferroelectric properties of interest in the framework of the Landau-Ginzburg-Devonshire thermodynamic theory. As expected, an, elastic-strain contribution due to the epilayer-substrate misfit has an important influence on the free-energy. However, additional terms that correspond to the defect-related inhomogeneous strain had to be introduced to fully explain the measurements.

Influence of barium and strontium addition on the ratio c/a of PZT obtained by the polymeric precursor method

Lead zirconate titanate powder, with Zr/Ti ratio of 50/50 was prepared by Pechini method after adding up to 10,0 mol% of Ba +2 and Sr +2 ions. Tetragonal phase is favored by the increase of barium and strontium concentration in the LiNbO 3 crystal lattice. The ratio c/a for tetragonal phase increases with the content of Ba +2 and Sr +2.

Atomic vapor deposition of bismuth titanate thin films

c-axis oriented ferroelectric bismuth titanate (Bi4Ti 3O12) thin films were grown on (001) strontium titanate (SrTiO3) substrates by an atomic vapor deposition technique. The ferroelectric properties of the thin films are greatly affected by the presence of various kinds of defects. Detailed x-ray diffraction data and transmission electron microscopy analysis demonstrated the presence of out-of-phase boundaries (OPBs). It is found that the OPB density changes appreciably with the amount of titanium injected during growth of the thin films. Piezo-responses of the thin films were measured by piezo-force microscopy. It is found that the in-plane piezoresponse is stronger than the out-of-plane response, due to the strong c-axis orientation of the films.

Implications of precursor chemistry on the alkaline hydrothermal synthesis of titania/titanate nanostructures

A systematic study of four parameters within the alkaline hydrothermal treatment of three commercial titania powders—anatase, rutile, and Degussa P25—was made. These powders were treated with 5, 7.5, 9, and 10 M NaOH between 100 and 220 °C for 20 h. The effects of alkaline concentration, hydrothermal temperature, and precursor phase and crystallite size on the resultant nanostructure formation have been studied through X-ray diffraction, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, and nitrogen adsorption. Through the correlation of these data, morphological phase diagrams were constructed for each commercial powder. Interpretation of the resultant morphological phase diagrams indicates that alkaline concentration and hydrothermal temperature affect nanostructure formation independently, where nanoribbon formation is significantly influenced by temperature for initial formation. The phase and crystallite size of the precursor also significantly influenced nanostructure formation, with rutile displaying a slower rate of precursor consumption compared with anatase. Small crystallite titania precursors formed nanostructures at reduced hydrothermal temperatures.

Layered titanate nanofibers as efficient adsorbents for removal of toxic radioactive and heavy metal ions from water

Titanate nanofibers with two formulas, Na2Ti3O7 and Na1.5H0.5Ti3O7, respectively, exhibit ideal properties for removal of radioactive and heavy metal ions in wastewater, such as Sr2+ , Ba2+ (as substitute of 226Ra2+), and Pb2+ ions. These nanofibers can be fabricated readily by a reaction between titania and caustic soda and have structures in which TiO6 octahedra join each other to form layers with negative charges; the sodium cations exist within the interlayer regions and are exchangeable. They can selectively adsorb the bivalent radioactive ions and heavy metal ions from water through ion exchange process. More importantly, such sorption finally induces considerable deformation of the layer structure, resulting in permanent entrapment of the toxic bivalent cations in the fibers so that the toxic ions can be safely deposited. This study highlights that nanoparticles of inorganic ion exchangers with layered structure are potential materials for efficient removal of the toxic ions from contaminated water.