的交流电导率和阻抗特性0.65 pb ()- - - - - -陶瓷

文摘

0.65 pb的电气性能()-0.35 (在宽范围的频率(10)陶瓷²-10年⁶赫兹)和温度(30 -使用阻抗光谱学技术)进行了研究。阻抗和电介电常数是强烈依赖于温度和频率。计算的活化能的交流电导率的温度依赖性的陶瓷被发现0.5 eV。陶瓷的弛豫过程non-Debye类型的被发现。Cole-Cole图的本质揭示了粮食的贡献(散装)和晶界陶瓷的介电常数。

1。介绍

近年来铅钙钛矿张弛振荡器系统,如Pb(锌_1/3注_2/3阿)₃(PZN)和Pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃(中性粒细胞)已经引起了相当大的关注由于其特别大的介电常数和压电性能(1,2]。这些特点是网站和障碍(3]。他们表现出不对称性破坏过渡冷却但表现出强劲和频率依赖的山峰在介电常数4,5]。通过添加PbTiO disorderness的中性粒细胞减少₃(PT)中性粒细胞(6]。为在较低的温度下,()Pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃-xPbTiO₃(PMN-xPT)铁电和菱形的一个特定的x的值(6]。PT更高浓度,它经历了一个morphotropic相变()[7- - - - - -9),成为正方。在更高的温度下,系统变得顺电位和立方x的值,高价值的压电响应附近已经实现这种转变。足够高的浓度,PMN-PT系统表现出铁电正方,菱形的,单斜,斜方晶系的低,顺电位立方高温阶段(1,9]。菱形的之间的相变和正方铁电阶段观察到许多作者(3,7,8,10]。周围的PMN-xPT系统morphotropic相界面(产)是技术应用的特殊意义11)自机电响应(12发现最大。其他产甲烷系统Pb (“透明国际”_{1 - x}阿)₃(压电)和()Pb(锆_1/3注_2/3阿)₃-PbTiO₃(PZN-xPT) PMN-xPT是更有吸引力,因为它可以很容易地准备在陶瓷以及单晶。尺寸驱动的放松和极地的morphotropic PMN-35PT Carreaud等人一直在研究使用球磨方法(13]。他们表明,介电弛豫中观察到的范围大小30 nm200海里。此外,下面的介电弛豫消失的大小30 nm。的处理()PMN-xPT (,0.3,0.35,和0.4)陶瓷粉末合成前兆研究的机械力化学活化Alguero et al。14]。他们研究这些陶瓷的晶粒尺寸0.2到5m×PbO分压和温度变化。最近,大小PMN-35PT产甲烷的影响也被研究了Alguero et al。15]。他们表明,粒径的减少(接近纳米微米范围)减缓张弛振荡器的过渡到铁电状态。所有的数据在文献中报道了使用固定频率的测量。存在巨大的文学不同的动机,已报告PMN-PT陶瓷或单一晶体;不打算的审查这个文学。然而,有罕见的报告交流阻抗光谱学性质的铁电陶瓷与宽频率范围。詹姆斯et al。16,17)调查报告张弛振荡器PMN-PT陶瓷()由铌铁矿的方法。Kobor et al。18]研究了氧空缺影响离子电导率和松弛现象在无掺杂和锰掺杂pzn - 0.45 - pt单晶使用阻抗光谱在高温地区。我们所知,没有人报道的交流电导率和阻抗特性的温度依赖性PMN-35PT陶瓷。针对上面提到的,我们已经报道了阻抗光谱学研究0.65 pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃-0.35 pbtio₃(PMN-35PT)陶瓷为了更好地理解这一重要的铁电的传导机制组成。

2。实验

PMN-35PT的完整平衡的化学方程式是:0.65 pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃+ 0.35 pbtio₃ 中性粒细胞0.65 - 0.35 - pt。原料在所需的化学计量学。PMN-35PT陶瓷研究在目前的工作是准备利用铌铁矿方法和细粉从水溶液中获得的草酸(OA)(0.18摩尔⁻¹)。然后MgNb₂O₆(分别以gNb₂O₆)(MN)和PbTiO₃(PbO + TiO₂)(PT)粉末添加到这个办公自动化解决方案。锰的制备和PT详细给出了其他地方19]。PT-MN-OA是由超声波搅拌30分钟。Pb(没有的解决方案₃)₂慢慢的落入PT-MN-OA,导致白色草酸沉淀铅PT和MN的粒子。然后收集到的混合物过滤、干燥、和地面。之后,大量的0.2 g 700和之间的煅烧C使用氧化铝船只。煅烧粉冷压在使用液压rectangle-sized丸。球团烧结在C为4小时。最后发现了陶瓷的密度7.4通用/厘米³。

为了研究陶瓷的介电和电特性,两球的平面都是抛光,然后用热风干燥电极导电银漆。电极后,球团矿在干C 4小时除去水分,如果任何,然后冷却到室温之前电测量。介电和阻抗测量进行了使用计算机控制电感电容电阻测量计(安捷伦科技公司;型号4284 a)在一个宽的频率(10²-10年⁶赫兹)和温度(28 -C)范围内。

陶瓷的结构研究了x射线衍射(XRD)技术在室温下使用Bragg-Brentano几何图形在连续模式的扫描速度/分钟的步长。Rigaku创世纪4衍射仪(在40马kV和25)辐射(用)。里特维德分析(20.),x射线衍射数据输入gsa [21EXPGUI[下]结构改进代码22)接口。概要文件安装使用峰值汤普森et al。(23]pseudo-Voigt而sixth-order多项式函数被用来适应背景。陶瓷的显微组织观察在室温下通过扫描电子显微镜(SEM)(蔡司DSM960模型)。

3所示。结果与讨论

3.1。结构和显微结构的属性

里特维德进行了改进,使用以下五个不同的合理的结构模型:(i)菱形的阶段(R) (R3m空间组)、(2)正方阶段(T) (P4mm空间组)、(3)单斜相(M) (Pm空间群)(iv)单斜和正方相共存(M + T), (v)正方和菱形的相共存(T + R)。这些模型被用于里特维德细化通过考虑单斜相的存在在产甲烷PMN-PT成分(24]。主要配件的质量判断标准的最终适合计算模式与观测数据。然而,r个因子加权概要文件,统计预期拟合优度指数通常是用来证明一个合适的质量(25]。获得了一个非常适合使用M + T相共存模式,导致最小的()值。这个结果间接证明了良好的化学计量学学习陶瓷的控制权摩尔%的PbTiO₃。

图1显示了观察、计算和不同XRD概要文件获得PMN-35PT陶瓷的里特维德细化后,考虑到M + T相共存模型。烧绿石阶段和残余阶段观察图。表1总结了从里特维德获得结构参数优化(如图1)。一个小差异观察和资料证明了良好的拟合计算。此外,拟合优度(获得一个较小的值)表明良好的细化。结果在表1确认的主要阶段PMN-35PT礼物67摩尔%的正方结构与单斜结构33摩尔%。换句话说,少数单斜相PMN-35PT陶瓷与正方的共存阶段。这些结果是在良好的协议与报道的相同PMN-35PT组成(24]。图1(插图)显示的扫描电子显微摄影(SEM) PMN-35PT陶瓷使用断裂的样品。在这张显微照片颗粒之间没有二级阶段观察到。谷物是人口分布在样品的表面没有孔隙度。平均晶粒尺寸约为7.8m。

3.2。交流电导率的研究

图2显示了交流电导率()与10³/ T 1和10 kHz PMN-35PT陶瓷。最多是在交流电导率在454 K左右的频率,ferroelectric-paraelectric相变密切相关()。这是一种铁电材料的正常行为。这种行为可以归因于相关的弛豫过程域重新定位,畴壁运动,和偶极的行为3]。有不同区域的传导机制在不同的温度范围:(i) n和p型跳跃电荷(对应于低温),(2)小极化子和氧空位传导(在中间温度区域),和(3)内在离子传导(高温地区)26]。变化的本质在宽温度范围内的热激活传输特性支持陶瓷服从阿仑尼乌斯方程(= pre-exponential因素,=玻耳兹曼常数)。活化能的值()陶瓷的1和10 kHz被发现0.46和0.21 eV (275 -C,即。,in the)和0.20和0.19 eV (100 -C,即。,in the),这是相当一致的其他复杂的钙钛矿27,28]。获得的价值低于转变温度()是在良好的协议与67年pmn-33pt单晶(29日]。活化能降低被发现在越来越频繁。这种行为表明,跳跃的传导机制可能是由于电荷载体(即。n和/或p型)从一个站点到另一个。因此,很小的能量需要激活的电荷载体/电子电导。它已被证明和et al。30.),莫雷蒂和Michel-Calendini (31日),活化能的值取决于电离程度的氧空位。通常,活化能小于1.0 eV连接到单电离空缺(30.)和/或电子流动空间电荷区域(32]。因此,这个温度范围内传导过程可能是由于电荷载体的跳跃和/或单电离氧气陶瓷的空缺。

3.3。阻抗研究

复杂的阻抗光谱(CIS)技术(33)是用于分析多晶样品的电响应在一个广泛的频率。电子交流四个基本的数据可以在任何形式(34彼此是相互关联的: (在哪里,,)和(,,阻抗的真实和虚构的成分,模量、和介电常数,分别,是角频率,在这是细胞的真空电容没有样品,自由空间的介电常数,Fc,和样品的厚度和面积。在本文,我们基本上都是集中在复杂的阻抗和复介电常数的部分。

图3显示了阻抗的实部的行为()作为频率的函数在不同的温度下(即。,75 -PMN-35PT C)。这是观察到的大小(体积电阻)减少增加温度低频率范围(某一频率),然后似乎在高频区域合并。这可能是由于空间电荷极化的释放与温度和频率(35]。这种行为表明,温度和频率的增加而增加(即传导机制。这样的行为,负温度系数的半导体)。电阻随温度的降低行为在100赫兹(嵌入的图3)。

图4显示了虚构的介电常数(在不同温度下)作为频率的函数。变化的本质在特定频率(显示峰值的存在在不同的温度下。峰值频率转向提高温度越高,以上C,峰值消失的频率范围的调查。的价值随频率上升到一定频率和之后增加到最大值在更高的频率。这种类型的自然变异是非常类似的高介电常数材料(16,17]。PMN-35PT虽然结构、介电和铁电性质的研究(19),这种类型的分散尚未报道。

为了进行彻底的研究介电常数的温度依赖性,需要单独的谷物的贡献,晶界和电极材料界面效应。为此,我们采取了介电常数的实部和虚部和。图5显示了复杂的介电常数()光谱(Cole-Cole情节)两种不同的温度(C和C)。从这个图很明显,一个polydispersive介电现象的本质在PMN-35PT弛豫时间分布的可能性,表示的半圆的弧在不同温度下的中心位于低于真正的轴。这表明non-Debye类型的弛豫过程。这种性质复杂的介电谱是描述的实证关系(由Cole-Cole), (36和表达的 在哪里是介电弛豫强度(和是静态和无限频率介电常数),弛豫时间,是一个参数描述的弛豫时间分布。的价值德拜类型的描述monodispersive放松,表明非均匀分布的弛豫时间与不对称的弛豫峰复杂的阻抗谱。在低频区域(4 kHz和10 kHzC和C、职责),观察到高峰的出现。这可能归因于华宝的扩散现象类型(37,在这些温度产生由于电荷载体运输。这也可能与表层陶瓷相关或与电极极化过程38]。在中频范围,一个完整的半圆是观察到,可能是由于晶界影响介电常数(39]。半圆的弧的形成是观察到的趋势,尽管缺乏实验数据(1 MHz)完成半圆高频率地区(320 kHz以上和400千赫C和C、职责)。这可能是假定由于散装陶瓷的介电常数的贡献。上述结果表明材料的固有性质的损失在极化过程中产生离子的电迁移率。

4所示。结论

PMN-35PT陶瓷的电特性进行了研究使用阻抗光谱技术。陶瓷有松弛现象,这可能归因于non-Debye类型。阻抗参数被发现是强烈依赖于频率和温度。陶瓷的导电机制可能是由于电荷载体的跳跃和/或单电离。Cole-Cole情节显示谷物的贡献(散装)和晶界陶瓷的介电常数。利用阻抗光谱技术,研究不同PMN-xPT成分morphotropic相界面都在进步了解介电弛豫机制以及电气性能。

确认

作者想表达他们的感谢巴西机构FAPESP(流程:2007/00183-7和2007/05302-4),必须占州政府CNPq(科研补助金:301382/2006-9)和斗篷的金融支持。最后,我们要感谢公司位于Metalurgia e Mineracao (CBMM)提供这项工作中所使用的试剂。

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