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Jun 11, 2024

Nanocristalização em estágio inicial como método de melhoria das propriedades elétricas de vidros de borato de vanádio dopados com titanato de chumbo/bário

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 12498 (2023) Citar este artigo 330 Acessos Métricas detalhes Nanocompósitos vitrocerâmicos (GCNs) de (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 com x

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12498 (2023) Citar este artigo

330 acessos

Detalhes das métricas

Nanocompósitos vitrocerâmicos (GCNs) de (10 - x) BaTiO3 (BT) –xPbTiO3 (PT) –60V2O5–30B2O3 com x = 0, 2,5, 5, 7,5 e 10 mol% foram formados durante o tratamento térmico de vidros convencionais de têmpera por fusão . A difração de raios X foi utilizada para garantir a formação de vidro e GCNs. As densidades de vidros e GCNs foram medidas pelo princípio de Arquimedes. A incorporação de aglomerados polares finos de titanato de chumbo e/ou titanato de bário na matriz de vidro de borato de vanádio depende fortemente da composição. Descobriu-se que a condutividade elétrica dos vidros iniciais pode ser consideravelmente melhorada pelo estágio inicial adequado de nanocristalização em temperaturas próximas às temperaturas de cristalização determinadas pelo método DSC. Os GCNs mostram um aumento maciço na condutividade elétrica (até 6 ordens de grandeza) em função do conteúdo de BaTiO3. Ao aumentar o teor de BaTiO3, descobriu-se que os valores de energia de ativação aumentam. O aumento na condutividade elétrica dos GCNs pode ser atribuído ao aumento das fases cristalinas na matriz vítrea que aumenta as concentrações dos pares de íons V.

Recentemente, nanocompósitos vitrocerâmicos (GCNs) contendo nanocristalitos ferroelétricos dispersos na matriz de vidro receberam considerável interesse. Durante o processo de tratamento térmico do vidro, minúsculos cristais são formados no interior da matriz do vidro, além disso, o nível de porosidade é reduzido, o que dá uma grande vantagem aos GCNs1,2. Sistemas de vidro e vitrocerâmica incorporados com materiais ferroelétricos têm aplicações notáveis, como filtros de radiofrequência, atuadores, memórias flash, etc.3. GCNs contendo óxido de metal de transição (TMO) apresentam comportamento semicondutor como resultado de íons de valência acima de um. Na matriz de vidro contendo condução de óxido de vanádio encontrada devido ao pequeno polaron hopping (SPH) entre V4+ ↔ V5+. O tamanho do grão do precepto nanocristalino formado desempenha um papel significativo no aumento da condutividade elétrica, onde o arranjo dos centros de salto nesses grãos minimiza o espalhamento dos limites dos grãos .

O titanato de chumbo (PbTiO3) possui estrutura perovisquita com boas propriedades dielétricas, estabilidade térmica e ferroelétricas. Além disso, sua alta temperatura Curie (490 °C) o torna adequado para aplicações de dispositivos de alta temperatura, como transdutores. Os grandes deslocamentos iônicos do titanato de chumbo produzem grande polarização espontânea7,8. Por outro lado, o titanato de bário (BaTiO3) nas últimas décadas foi altamente investigado por sua importância tecnológica em aplicações eletrônicas3,9.

Para capacidade de formação de vidro, o pentóxido de vanádio (V2O5) até 5% em mol, atua como um modificador de rede de vidro, enquanto mais de 10% em mol atua como um formador de rede5. O trióxido de boro (B2O3) é um formador básico de rede de vidro em vidros de borato com menor calor de fusão10, enquanto o BaTiO3 tem baixa capacidade de formação de vidro3.

Nosso trabalho tem como objetivo estudar vidros/GCNs dopados com titanato de chumbo/bário preparados pela técnica convencional de têmpera por fusão e método de nanocriatalização em estágio inicial, respectivamente. Além disso, foi investigado o efeito do titanato de bário substituído por titanato de chumbo, para produzir material isento de chumbo, nas propriedades elétricas. A formação das fases nanocristalinas foi obtida por tratamento térmico cuidadoso em temperaturas próximas à temperatura de cristalização.

A técnica convencional de têmpera por fusão foi usada para preparar (10 - x) BaTiO3 (BT) –xPbTiO3 (PT) –60V2O5–30B2O3 com x = 0, 2,5, 5, 7,5 e 10% em mol. Reagente de óxidos de pureza extra alta de PbTiO3, BaTiO3, B2O3 (Sigma Aldrich, 99%) e V2O5 (Fisher Scientific, 99,99%) foram nossos produtos químicos iniciais com uma mistura total de 10 g pesada em uma proporção estequiométrica. Após 10 minutos. Na mistura, os pós das composições nominais foram colocados em um cadinho de platina e aquecidos por 90 min em forno mufla a 1250 °C ao ar. Molde de aço inoxidável foi utilizado para moldar o fundido em formato de placa de 2,0 mm de espessura. O difratômetro de raios X Siemens D5000 com radiação Cu Kα filtrada com níquel foi utilizado para garantir a amorficidade dos vidros preparados sob tensão de aceleração de 40 kV e corrente de 30 mA. Shimatzou DSC 50, calorímetro diferencial de varredura foi utilizado para análise térmica com taxa de aquecimento de 10 ° C / min sob atmosfera de argônio. JEOL 2100, microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) foi usado para confirmar a presença de nanoaglomerados dentro da matriz de vidro. A amostra de vidro preparada foi tratada termicamente ao ar próximo à sua temperatura de cristalização Tc de acordo com dados de DSC a 350 ° C por 2 h para obter nanocompósitos vitrocerâmicos (GCNs). Amostras de vidro e GCNs foram revestidas com pastas de prata para condutividade CC usando Pico-amperímetro tipo KEITHLEY 485 na faixa de temperaturas de 310 a 450 K. À temperatura ambiente, amostras de vidro e GCNS, as densidades médias (ρ) foram medidas pelo método de Arquimedes usando Tolueno de densidade 0,866 g/cm3 como líquido de imersão. As medições de densidade foram repetidas cinco vezes.