Substrate Clamping Effects on Irreversible Domain Wall Dynamics in Lead Zirconate Titanate Thin Films

The role of long-range strain interactions on domain wall dynamics is explored through macroscopic and local measurements of nonlinear behavior in mechanically clamped and released polycrystalline lead zirconate-titanate (PZT) films. Released films show a dramatic change in the global dielectric nonlinearity and its frequency dependence as a function of mechanical clamping. Furthermore, we observe a transition from strong clustering of the nonlinear response for the clamped case to almost uniform nonlinearity for the released film. This behavior is ascribed to increased mobility of domain walls. These results suggest the dominant role of collective strain interactions mediated by the local and global mechanical boundary conditions on the domain wall dynamics. The work presented in this Letter demonstrates that measurements on clamped films may considerably underestimate the piezoelectric coefficients and coupling constants of released structures used in microelectromechanical systems, energy harvesting systems, and microrobots.

Nanoscale mapping of oxygen vacancy kinetics in nanocrystalline Samarium doped ceria thin films

The position-dependent oxygen vacancy dynamics induced by a biased scanning probe microscopy tip in Samarium doped ceria thin films grown on MgO (100) substrates is investigated. The granularity of the samples gives rise to spatially dependent local electrochemical activity, as explored by electrochemical strain microscopy. The kinetics of the oxygen vacancy relaxation process is investigated separately for grain boundaries and grains. Higher oxygen vacancy concentration variation and slower diffusion are observed in the grain boundary regions as compared to the grains.

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.

Surface effect ferromagnetism in pure and reduced strontium titanate

A room temperature ferromagnetic hysteresis is observed in single crystal strontium titanate substrates as purchased from several manufacturers. It was found that polishing all sides of the substrates removed this observed hysteresis, suggesting that the origin of the ferromagnetic behavior resides on the surface of the substrates. X-ray diffraction and energy dispersive x-ray spectra were measured however they were unable to detect any impurity phases. In similar semiconducting oxides it was previously suggested that ferromagnetism could originate in oxygen vacancies or from disorder within the single crystal. To this end substrates were annealed in both air and vacuum in a range of temperatures (600°C to 1100°G) to both create bulk oxygen vacancies and to heal surface damage. Annealing in vacuum was found to create a measureable number of oxygen vacancies however their creation could not be correlated to the ferromagnetic signal of the substrate. Annealing in air was found to effect the remnant moment of the substrate as well as the width of the x-ray diffraction peaks on the unpolished face, weakly suggesting a relation between surface based disorder and ferromagnetism. Argon ion bombardment was employed to create a layer of surface disorder in the polished crystal, however it was not found to induce ferromagnetism. It was found that acid etching was sufficient to remove the ferromagnetism from as purchased samples and similarly simulated handling with stainless steel tweezers was sufficient to re-create the ferromagnetism. It is suggested that the origin of this ferromagnetism in SrTi03 is surface contaminants (mainly iron).

Dielectric Properties of Electron Beam Evaporated Samarium Oxide Films

The dielectric properties of electron beam evaporated Sm2O3 films have been investigated in the frequency range from 1 kHz to 1 MHz at various temperatures (300 K-453 K). The dielectric constant is found to depend on film thickness and it attains a constant value beyond 1000 A. The present electron beam evaporated Sm2O3 films have a high dielectric constant of 43. The frequency dependence of and tan teeta at various temperatures is also studied.

Photoacoustic spectrum of samarium phthalocyanine powder

Photoacoustic spectrum of samarium phthalocyanine powder is recorded and compared with previously reported UV–vis absorption spectra of the same dissolved in different liquid and solid host media. The Davidov splitting of Q band is observed in the PA spectrum but the two bands are overlapped considerably and the shorter wavelength band is more intense and dominating one in the powder spectrum.

Preparation and structural characterization of rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate ceramics

A new preparation route towards rare-earth (RE) doped polycrystalline lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics (RE = Y(3+), Nd(3+), Yb(3+)), based on the use of doped lanthanum oxide or zirconia, is reported. Structural characterization by X-ray powder diffraction reveals that secondary phase formation can be substantially diminished in comparison to conventional preparation methods. The distribution of the rare-earth dopants was investigated as a function of concentration by static (207)Pb spin echo NMR spectra, using Fourier Transformation of Carr-Purcell-Meiboom-Gill spin echo trains. For the Nd- and Yb-doped materials, the interaction of the (207)Pb nuclei with the unpaired electron spin density results in significant broadening and shifting of the NMR signal, whereas these effects are absent in the diamagnetic Y(3+) doped materials. Based on different concentration dependences of the NMR lineshape parameters, we conclude that the structural role of the Nd(3+) dopants differs significantly from that of Yb(3+). While the Nd(3+) ions appear to be statistically distributed in the PLZT lattice, incorporation of Yb(3+) into PLZT appears to be limited by the appearance of doped cubic zirconia as a secondary phase. (C) 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Solid state NMR as a new approach for the structural characterization of rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate laser ceramics

To facilitate the design of laser host materials with optimized emission properties, detailed structural information at the atomic level is essential, regarding the local bonding environment of the active ions (distribution over distinct lattice sites) and their extent of local clustering as well as their population distribution over separate micro- or nanophases. The present study explores the potential of solid state NMR spectroscopy to provide such understanding for rare-earth doped lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) ceramics. As the NMR signals of the paramagnetic dopant species cannot be observed directly, two complementary approaches are utilized: (1) direct observation of diamagnetic mimics using Sc-45 NMR and (2) study of the paramagnetic interaction of the constituent host lattice nuclei with the rare-earth dopant, using Pb-207 NMR lineshape analysis. Sc-45 MAS NMR spectra of scandium-doped PLZT samples unambiguously reveal scandium to be six-coordinated, suggesting that this rare-earth ion substitutes in the B site. Static Pb-207 spin echo NMR spectra of a series of Tm-doped PLZT samples reveal a clear influence of paramagnetic rare-earth dopant concentration on the NMR lineshape. In the latter case high-fidelity spectra can be obtained by spin echo mapping under systematic incrementation of the excitation frequency, benefiting from the signal-to-noise enhancement afforded by spin echo train Fourier transforms. Consistent with XRD data, the Pb-207 NMR lineshape analysis suggests that statistical incorporation into the PLZT lattice occurs at dopant levels of up to 1 wt.% Tm3+, while at higher levels the solubility limit is reached. (C) 2008 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Quenching of Photoactivity in Phthalocyanine Copper(II)-Titanate Nanotube Hybrid Systems

Titanate nanotubes (TiNTs) were obtained by hydrothermal treatment of anatase powder in aqueous NaOH solution and then modified with 2,9,16,23-tertracarboxyl phthalocyanine copper(H) (CuPc). This hybrid organic inorganic nanoscopic system was characterized by X-ray diffraction, microscopy, and spectroscopy. Transmission electron microscopy (TEM) images of pure and modified TiNTs revealed multiwall structures with an average outer diameter of 9 nm and a length of several hundred nanometers. The tubular morphology of the TiNTs was covered with CuPc-film. The amount of CuPc adsorbed onto the TiNTs was quantified by electron paramagnetic resonance (EPR). Using the same technique and spin-trapping methodology, the photogeneration of reactive oxygen species (ROS) from the TiNTs was systematically investigated. A drastic quenching of photoactivity was observed in the CuPc/TiNT hybrid system. Electron transfer from excited CuPc states to the TiNT conduction band followed by electron recombination may be the cause of this quenching.

Biodistribution of samarium-153-EDTMP in rats treated with docetaxel

Purpose: Many patients with metastatic bone disease have to use radiopharmaceuticals associated with chemotherapy to relieve bone pain. The aim of this study was to assess the influence of docetaxel on the biodistribution of samarium-153-EDTMP in bones and other organs of rats. Methods: Wistar male rats were randomly allocated into 2 groups of 6 rats each. The DS (docetaxel/samarium) group received docetaxel (15 mg/kg) intraperitoneally in two cycles 11 days apart. The S (samarium/control) group rats were not treated with docetaxel. Nine days after chemotherapy, all the rats were injected with 0.1ml of samarium-153-EDTMP via orbital plexus (25μCi). After 2 hours, the animals were killed and samples of the brain, thyroid, lung, heart, stomach, colon, liver, kidney and both femurs were removed. The percentage radioactivity of each sample (% ATI/g) was determined in an automatic gamma-counter (Wizard-1470, Perkin-Elmer, Finland). Results: On the 9th day after the administration of the 2nd chemotherapy cycle, the rats had a significant weight loss (314.50±22.09g) compared (p<0.5) to pre-treatment weight (353.66± 22.8). The % ATI/g in the samples of rats treated with samarium-153-EDTMP had a significant reduction in the right femur, left femur, kidney, liver and lungs of animals treated with docetaxel, compared to the control rats. Conclusion: The combination of docetaxel and samarium-153-EDTMP was associated with a lower response rate in the biodistribution of the radiopharmaceutical to targeted tissues. Further investigation into the impact of docetaxel on biodistribution of samarium-153-EDTMP would complement the findings of this study

Electromechanical properties of 0-3 vegetable based polyurethane and lead zirconate titanate composite.

Composite made of Lead Zirconate Titranate (PZT) ceramic powder and castor oil based polyurethane (PU) were prepared in the thin film form with 0-3 connectivity by spin coating. The composite films were obtained in the thickness range of 100 mum to 300 mum using 33-vol.% of ceramic. The samples mechanical resistance. The material was characterised by dielectric spectroscopy, thermally stimulated discharge current (TSDC), hysteresis measurements and laser-intensity-modulation method (LIMM). The pyroelectric coefficient at 343 K was 7x10(-5) C.m(-2) K-1 for the sample poled with 10 MV/m at 373 K for Ih. The results show that this new composite can be used as suitable piezo and pyroelectric sensors.

Modeling the dielectric response of lanthanum modified lead zirconate titanate ferroelectric ceramics-an approach to the phase transitions in relaxor ferroelectrics

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

Dielectric response features and oxygen migration on rare earth modified lead titanate ferroelectric ceramics

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

Nanosized lead lanthanum titanate (PLT) ceramic powders synthesized by the oxidant peroxo method

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