Nonharmonic transverse vibration of the H-bonded molecules and the THz spectra in ice and water

A nonlinear equation of motion is found for the dimer comprising two charged H2O molecules. The THz dielectric response to nonharmonic vibration of a nonrigid dipole, forming the hydrogen bond (HB), is found in the direction transverse to this bond. An explicit expression is derived for the autocorrelator that governs the spectrum generated by transverse vibration (TV) of such a dipole. This expression is obtained by analytical solution of the truncated set of recurrence equations. The far infrared (FIR) spectra of ice at the temperature - 7 degrees C are calculated. The wideband, in the wavenumber (frequency) v range 0... 100.0 cm(-1), spectra are obtained for liquid water at room temperature and for supercooled water at -5.6 degrees C. All spectra are represented in terms of the complex permittivity epsilon(v) and the absorption coefficient alpha(v). The obtained analytical formula for epsilon comprises the term epsilon(perpendicular to) pertinent to the studied TV mechanism with three additional terms Delta epsilon(q), Delta epsilon(mu), and epsilon(or) arising, respectively, from: elastic harmonic vibration of charged molecules along the H-bond; elastic reorientation of HB permanent dipoles; and rather free libration of permanent dipoles in 'defects' of water/ice structure. The suggested TV-dielectric relaxation mechanism allows us: (a) to remove the THz 'deficit' of loss epsilon" inherent in previous theoretical studies; (b) to explain the THz loss and absorption spectra in supercooled (SC) water; and (c) to describe, in agreement with the experiment, the low- and high-frequency tails of the two bands of ice H2O located in the range 10...300 cm(-1). Specific THz dielectric properties of SC water are ascribed to association of water molecules, revealed in our study by transverse vibration of HB charged molecules. (C) 2006 Published by Elsevier B.V.

Changes in functional behavior of 93 % Pb(Mg1/3Nb2/3)O-3-7 % PbTiO3 thin films induced by ac electric fields

The dielectric properties of Au/[93%Pb(Mg1/3Nb2/3)O-3-7%PbTiO3] (PMN-PT)/(La0.5Sr0.5)CoO3/MgO thin-film capacitor heterostructures, made using pulsed laser deposition, have been investigated, with particular emphasis on the changes in response associated with increasing the magnitude of the ac measuring field. It was found that increasing the ac field caused a change in the frequency spectrum of relaxators, increasing the speed of response of "slow" relaxators, with an associated decrease in the freezing temperature (T-f) of the relaxor system; in addition, other characteristic parameters relating to polar relaxation (activation energy E-a and attempt frequency 1/tau(0)), described by fitting of the dielectric response to a Vogel-Fulcher expression, were found to change continuously as ac field levels were increased.

Exploring grain size as a cause for dead-layer effects in thin film capacitors

Pulsed laser deposition was used to make a series of Au/Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST)/SrRuO3/MgO thin film capacitors with dielectric thickness ranging from similar to15 nm to similar to1 mum. Surface grain size of the dielectric was monitored as a function of thickness using both atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Grain size data were considered in conjunction with low field dielectric constant measurements. It was observed that the grain size decreased with decreasing thickness in a manner similar to the dielectric constant. Simple models were developed in which a functionally inferior layer at the grain boundary was considered as responsible for the observed dielectric behavior. If a purely columnar microstructure was assumed, then constant thickness grain-boundary dead layers could indeed reproduce the series capacitor dielectric response observed, even though such layers would contribute electrically in parallel with unaffected bulk- like BST. Best fits indicated that the dead layers would have a relative dielectric constant similar to40, and thickness of the order of tens of nanometers. For microstructures that were not purely columnar, models did not reproduce the observed dielectric behavior well. However, cross-sectional transmission electron microscopy indicated columnar microstructure, suggesting that grain boundary dead layers should be considered seriously in the overall dead-layer debate. (C) 2002 American Institute of Physics.

Electromagnetic pulse compression and energy localization in quantum plasmas

The evolution of the intensity of a relativistic laser beam propagating through a dense quantum plasma is investigated, by considering different plasma regimes. A cold quantum fluid plasma and then a thermal quantum description(s) is (are) adopted, in comparison with the classical case of reference. Considering a Gaussian beam cross-section, we investigate both the longitudinal compression and lateral/longitudinal localization of the intensity of a finite-radius electromagnetic pulse. By employing a quantum plasma fluid model in combination with Maxwell's equations, we rely on earlier results on the quantum dielectric response, to model beam-plasma interaction. We present an extensive parametric investigation of the dependence of the longitudinal pulse compression mechanism on the electron density in cold quantum plasmas, and also study the role of the Fermi temperature in thermal quantum plasmas. Our numerical results show pulse localization through a series of successive compression cycles, as the pulse propagates through the plasma. A pulse of 100 fs propagating through cold quantum plasma is compressed to a temporal size of approximate to 1.35 attosecond and a spatial size of approximate to 1.08 10(-3) cm. Incorporating Fermi pressure via a thermal quantum plasma model is shown to enhance localization effects. A 100 fs pulse propagating through quantum plasma with a Fermi temperature of 350 K is compressed to a temporal size of approximate to 0.6 attosecond and a spatial size of approximate to 2.4 10(-3) cm. (c) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Tip-enhanced Raman microscopy: practicalities and limitations

The feasibility of apertureless scanning near-field Raman microscopy, exploiting the local enhancement in Raman scattering in the vicinity of a silver or gold tip, was investigated. Using the finite difference time domain method we calculated the enhancement of electric field strength, and hence Raman scattering, achieved through the resonant excitation of local modes in the tip. By modelling the frequency-dependent dielectric response of the metal tip we were able to highlight the resonant nature of the tip-enhancement and determine the excitation wavelength required for the strongest electric field enhancement, and hence Raman scattering intensity, which occurs for the excitation of modes localized at the tip apex. It is demonstrated that a peak Raman enhancement of 10(7)-fold should be achievable with <5 nm spatial resolution. We show that surface-enhanced Raman scattering from carbon contamination on a silver or gold tip can be significant. However, we find for a tip of radius of curvature 20 nm that the Raman enhancement should decay totally within 20 nm from the tip. Hence withdrawal of the tip by this distance should lead to the disappearance of the tip-enhanced signal, leaving only that from carbon contamination on the tip itself and the intrinsic signal from the sample. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

Preparação e caracterização de materiais com constante dieléctrica colossal baseados em CCTO

A procura de materiais com elevada constante dieléctrica (E’) motivou nos últimos anos uma intensa pesquisa neste domínio. Entre as várias aplicações destes materiais destacam-se os dispositivos de memória baseados em componentes capacitivos, como as DRAM, em que o valor da constante dieléctrica estática (Es) determina o seu nível de miniaturização. Entre estes materiais, o CaCu3Ti4O12 (CCTO) tem sido apontado como sendo bastante interessante na perspectiva das aplicações tecnológicas e do ponto de vista científico. O CCTO tem a estrutura da perovsquite, apresentando valores elevados de E’ e uma grande estabilidade numa vasta gama de temperaturas (100 – 400 K) e frequências (100 Hz – 1 MHz). Contudo, as elevadas perdas dieléctricas (tan ) têm sido um entrave à sua aplicação tecnológica. Neste trabalho foram preparados materiais derivados do CCTO pelos métodos de reacção do estado sólido, sol-gel e fusão de zona com laser, com o principal objectivo de optimizar as amostras preparadas ao nível estrutural e morfológico, de modo a reduzir tan e aumentar a gama de frequências na qual se verifique E’colossal. Do ponto de vista da sua caracterização estrutural e morfológica usaram-se técnicas de difracção de raios X, microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de dispersão de raios X e espectroscopia de Raman. Para a caracterização eléctrica foram medidas a condutividade ac e dc, a impedância complexa e E’ em função da temperatura e frequência. As medidas dieléctricas mostraram a existência de mecanismos de relaxação, que foram ajustados usando o modelo de Cole-Cole. Discutiu-se a correlação entre os parâmetros de relaxação obtidos e os resultados estruturais das amostras. Atendendo a que o mecanismo de polarização que está na origem das propriedades incomuns do CCTO ainda permanece em discussão, foram produzidas amostras com uma grande diversidade morfológica, variando as condições de síntese. Foram ainda dopadas amostras de CCTO com os óxidos TeO2 e GeO2. Constatou-se que a resposta dieléctrica das amostras de CCTO policristalinas é muito dependente do tamanho de grão. Em regra, verificou-se o aumento de Es e a diminuição da resistência dos grãos e fronteiras de grão com o aumento do tamanho de grão.

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.

Multiferroic Behavior of Gd Based Manganite

Here we report the multiferroic nature of charge ordered manganite Gd0.5Sr0.5MnO3 for the first time. The temperature variation of dielectric constant shows broad relaxor type ferroelectric transition at around 210K and magnetization measurements shows weak ferromagnetism at 50K. The dielectric peak is very close to charge ordering temperature which is an evidence of the link between electronic state and increase of dielectric response. Butterfly variation of capacitance with voltage confirms ferroelectric nature of the sample at room temperature

Phase-transition studies of Ba(0.90)Ca(0.10)(Ti(1-x)Zr(x))O(3) ferroelectric ceramic compounds

Perovskite-structured Ba(0.90)Ca(0.10)(Ti(1-x)Zr(x))O(3) ceramics were prepared in this work and subsequently studied in terms of composition-dependent dielectric and high-resolution long-range order structural properties from 30 to 450 K. The dielectric response of these materials was measured at several frequencies in the range from 1 kHz to 1 MHz. Combining both techniques, including Rietveld refinement of the X-ray diffraction data, allowed observing that, when increasing Zr(4+) content, the materials change from conventional to diffuse and relaxor ferroelectric compounds, the transition occurring spontaneously at the x = 0.18 composition. Interestingly, this spontaneous transition turned out to be prevented for a further increase of Zr(4+). On the basis of all the dielectric and structural results processed, a phase diagram of this system is presented. (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Ionized oxygen vacancy-related electrical conductivity in (Pb(1-x)La(x)) (Zr(0.90)Ti(0.10))(1-x/4)O(3) ceramics

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

Protein-Ion Binding Process on Finite Macromolecular Concentration. A Poisson-Boltzmann and Monte Carlo Study

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Study on the K3Li2Nb5O15 formation during the production of (Na0.5K0.5)((1-x))LixNbO3 lead-free piezoceramics at the morphotropic phase boundary

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

SrBi2(Ta0.5Nb0.5)(2)O-9 : W thin films obtained by chemical solution deposition: Morphological and ferroelectric characteristics

The effect of tungsten (W6+) ion substituting on dielectric and ferroelectric behavior in SrBi2(Ta0.5Nb0.5)(2)O-9 (SBTN) thin films prepared by polymeric precursor method was investigated at room temperature. The addition of W6+ ion in the SBTN lattice was evaluated by X-ray diffraction (XRD), microstructural and dielectrical properties. An increase in the grain size is evident when tungsten is introduced in the SBTN lattice. Substitution of tungsten until 10% on B site leads to introduce space charge polarization into the system, resulting in an appreciable decrease in both dielectric constant and tangent loss. The morphology of the thin films investigated by atomic force microscopy leads to an increase in the grain size after tungsten addition. Fatigue resistance was noted with increase in tungsten addition. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Caracterização dielétrica de partículas nanométricas e nanoestruturadas de óxido de niobato da família tetragonal tungstênio bronze com estequiometria K'Sr IND. 2' N'b IND. 5' 'O IND. 15'

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estrutura e propriedades de filmes finos ferroelétricos do sistema PZT

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