_ Spre un roman promițător de tip perovskit materiale feroelectrice: sinteza la presiune înaltă a niobatului de rubidiu

Condensatorii sunt componente cruciale în dispozitivele electronice precum smartphone-urile și computerele. Sunt realizate din materiale dielectrice care se polarizează la aplicarea tensiunii. În prezent, titanatul de bariu (BaTiO3) este cel mai utilizat material pentru condensatoare.

Titanatul de bariu aparține grupului de materiale perovskite, unde un ion de titan se află într-o cușcă octaedrică de oxigen. Materialul prezintă un comportament feroelectric de tip displaciv, unde deplasarea ionilor în timpul tranziției de fază duce la crearea unui moment dipol permanent în material.

Într-un studiu publicat în revista Dalton Transactions, cercetătorii au condus de profesorul Ayako Yamamoto de la Institutul de Tehnologie Shibaura, inclusiv studentul de master Kimitoshi Murase, au dezvoltat un material feroelectric de tip deplasare cu o constantă dielectrică ridicată. Partea teoretică a fost investigată de dr. Hiroki Moriwake și grupul său de la Centrul de ceramică fină din Japonia.

Folosind o metodă de înaltă presiune, cercetătorii au încorporat cu succes ioni de rubidiu considerabili în compuși de tip perovskit, rezultând sinteza. de niobat de rubidiu (RbNbO3). Acest compus, cunoscut anterior pentru procesul său de sinteză provocator, a fost creat eficient printr-o abordare inovatoare.

RbNbO3 prezintă feroelectricitate de deplasare precum BaTiO3, făcându-l un candidat promițător pentru condensatori, iar interesul pentru sintetizarea RbNbO3 datează din anii 1970. . Cu toate acestea, investigațiile asupra proprietăților sale dielectrice au fost efectuate doar la temperaturi scăzute (sub 27°C).

Acest studiu aruncă lumină asupra structurii cristaline și a tranzițiilor de fază într-un interval larg de temperatură (de la –268 la +800 °C). °C), deschizând calea pentru cercetare și dezvoltare ulterioară.

„Metoda de sinteză la presiune înaltă a raportat o varietate de materiale cu structuri de tip perovskit, inclusiv supraconductori și magneți. În acest studiu, ne concentrăm atenția. a fost la combinarea niobaților și a metalelor alcaline cunoscute pentru proprietățile lor dielectrice ridicate”, spune prof. Yamamoto.

Cercetătorii au sintetizat RbNbO3 de tip non-perovskit prin sinterizarea unui amestec de carbonat de rubidio și oxid de niobiu la 1.073 K ( 800°C), apoi l-a supus la presiuni mari de 40.000 atmosfere la 1.173 K (900°C) timp de 30 de minute. În aceste condiții de înaltă presiune și temperatură înaltă, niobatul de rubidiu a suferit o transformare structurală dintr-o fază complexă triclinică la faza de presiune ambientală într-o structură de tip perovskit ortorombic cu 26% mai dens.

Folosind difracția cu raze X. , cercetătorii au investigat structura cristalină. Analiza lor folosind un singur cristal a arătat că structura cristalină seamănă foarte mult cu cea a niobatului de potasiu (KNbO3) și a prezentat distorsiuni similare observate în BaTiO3, ambele materiale feroelectrice binecunoscute.

Cu toate acestea, au descoperit că ortorombicitatea și deplasarea atomilor de niobiu din RbNbO3 le-a depășit pe cele ale KNbO3, indicând un grad mai mare de polarizare dielectrică din cauza tranzițiilor de fază.

În plus, prin difracția cu raze X pe pulbere, cercetătorii au identificat patru tranziții de fază distincte care au loc la temperaturi variind de la –268°C până la +800°C. Sub temperatura camerei, RbNbO3 există într-o fază ortorombică, care este cea mai stabilă configurație.

Pe măsură ce temperatura crește, suferă tranziții: mai întâi la o fază de perovskită tetragonală peste 220°C, apoi într-o fază mai alungită. faza perovskită tetragonală peste 300°C. În cele din urmă, peste 420°C, revine la o fază non-perovskită găsită în condiții atmosferice.

Aceste tranziții de fază observate se potrivesc îndeaproape cu predicțiile făcute prin calcule de bază. Cercetătorii au calculat, de asemenea, polarizarea dielectrică a diferitelor faze ale RbNbO3. Ei au descoperit că faza ortorombică a avut o polarizare de 0,33 C m−2, în timp ce cele două faze tetragonale au prezentat polarizări de 0,4 și, respectiv, 0,6 C m−2. Aceste valori sunt comparabile cu cele ale niobaților de metale alcaline feroelectrice, cum ar fi KNbO3 (0,32 C m−2), LiNbO3 (0,71 C m−2) și LiTaO3 (0,50 C m−2).

"The faza de înaltă presiune obținută de această dată a confirmat prezența unei structuri polare din observarea generației de a doua armonică de aceeași rezistență ca niobatul de potasiu și s-a obținut și o permitivitate relativ mare În ceea ce privește constanta dielectrică, este de așteptat ca valori egale sau mai mari decât cele ale niobatului de potasiu pot fi obținute prin creșterea densității probei, așa cum se prevede din calculele teoretice”, spune prof. Yamamoto.

Cercetătorii plănuiesc experimente suplimentare pentru a măsura cu precizie constanta dielectrică și demonstrează polarizarea ridicată a RbNbO3. Avantajul metodei de înaltă presiune constă în capacitatea sa de a stabiliza substanțe care nu există sub presiunea atmosferică.

Folosind metoda propusă, ionii de metale alcaline mai mari, cum ar fi cesiu, ar putea fi încorporați în structura perovskitului, conducând la feroelectrice cu proprietăți dielectrice dorite.

(Fluierul)