Cải thiện tính chất điện môi khổng lồ và phản ứng điện phi tuyến tốt hơn ở gốm CaCu3Ti4O12 thay thế bởi (Al3+, Ta5+) làm nhận điện - cho và nhận điện

Journal of Advanced Ceramics - Tập 10 Số 6 - Trang 1243-1255 - 2021
Jakkree Boonlakhorn1, Narong Chanlek2, Jedsada Manyam3, Pornjuk Srepusharawoot1, Sriprajak Krongsuk1, Prasit Thongbai4
1Giant Dielectric and Computational Design Research Group (GD-CDR), Department of Physics, Faculty of Science, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002, Thailand
2Synchrotron Light Research Institute (Public Organization), 111 University Avenue, Muang District, Nakhon Ratchasima, 30000, Thailand
3National Nanotechnology Center (NANOTEC), National Science and Technology Development Agency (NSTDA), Pathum Thani 12120, Thailand
4Institute of Nanomaterials Research and Innovation for Energy (IN-RIE), NANOTEC-KKU RNN on Nanomaterials Research and Innovation for Energy, Khon Kaen University, Khon Kaen 40002, Thailand

Tóm tắt

Tóm tắtTính chất điện môi khổng lồ của CaCu3Ti4O12 (CCTO) đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ vào tiềm năng ứng dụng trong điện tử; tuy nhiên, hệ số tổn thất (tanδ) của vật liệu này quá lớn cho nhiều ứng dụng. Việc thay thế một phần gốm CCTO bằng các ion Al3+ hoặc Ta5+ thường dẫn đến việc suy giảm các thuộc tính phi tuyến và gia tăng tương ứng tanδ (đến ~0.29–1.15). Tuy nhiên, các phép tính theo nguyên lý đầu tiên cho thấy sự bù đắp điện tích tự phát xảy ra giữa hai ion dopant này khi đồng-doping vào các vị trí Ti4+, điều này có thể cải thiện các đặc tính điện của ranh giới hạt (GB). Đáng ngạc nhiên, trong nghiên cứu này, một trường điện bị ngắt mạch được nâng cao đáng kể (~200–6588 V/cm) và hệ số phi tuyến (~4.8–15.2) với tanδ giảm đáng kể (~0.010–0.036) đã được thu được thông qua việc thay thế đồng thời một phần CCTO với các dopant nhận điện và cho điện (Al3+, Ta5+) để tạo ra gốm (Al3+, Ta5+)-CCTO. Việc giảm tanδ và cải thiện các thuộc tính phi tuyến được quy cho các tác động hiệp lực của các đồng dopant trong cấu trúc CCTO đã được doping. Việc giảm đáng kể kích thước hạt trung bình của gốm (Al3+, Ta5+)-CCTO so với CCTO nguyên chất chủ yếu là do các ion Ta5+. Do đó, mật độ GB tăng lên do kích thước hạt giảm và chiều cao rào Schottky lớn hơn (Φb) tại các GB của gốm CCTO đồng-doping là lý do chính cho việc tăng cường điện trở GB một cách đáng kể, cải thiện các thuộc tính phi tuyến và giảm giá trị tanδ so với CCTO nguyên chất và CCTO được doping đơn. Ngoài ra, các giá trị điện môi cao (ε′ ≈ (0.52–2.7) × 104) đã được thu được. Một cấu trúc vi mô với kích thước hạt mịn và GB cách điện cao đã được tạo ra nhờ dopant Ta5+, trong khi việc đồng-doping với Ta5+ và Al3+ dẫn đến một Φb cao. Các kết quả thu được dự kiến sẽ cung cấp những hướng dẫn hữu ích trong việc phát triển các gốm điện môi khổng lồ mới với các thuộc tính điện môi xuất sắc.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Guo BC, Liu P, Cui X, et al. Enhancement of breakdown electric field and DC bias of (In0.5Nb0.5)0.005(Ti1−xZrx)0.995O2 colossal permittivity ceramics. J Alloys Compd 2018, 740: 1108–1115.

Liang P, Wang X, Chao X, et al. Electric response and improved dielectric properties in BiCu3Ti3FeO12. J Alloys Compd 2018, 734: 9–15.

Wang XW, Jia PB, Sun LY, et al. Improved dielectric properties in CaCu3Ti4O12 ceramics modified by TiO2. J Mater Sci: Mater Electron 2018, 29: 2244–2250.

Hu W, Liu Y, Withers RL, et al. Electron-pinned defect-dipoles for high-performance colossal permittivity materials. Nat Mater 2013, 12: 821–826.

Boonlakhorn J, Kidkhunthod P, Chanlek N, et al. (Al3+, Nb5+) co-doped CaCu3Ti4O12: An extended approach for acceptor-donor heteroatomic substitutions to achieve high-performance giant-dielectric permittivity. J Eur Ceram Soc 2018, 38: 137–143.

Wen A, Yuan D, Zhu X, et al. Electrical and dielectric properties of aluminum/niobium co-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Ferroelectrics 2016, 492: 1–9.

Boonlakhorn J, Kidkhunthod P, Thongbai P. Effects of co-doping on dielectric and electrical responses of CaCu3Ti4−x(Nb1/2In1/2)xO12 ceramics. J Phys: Conf Ser 2017, 901: 012078.

Boonlakhorn J, Srepusharawoot P, Thongbai P. Distinct roles between complex defect clusters and insulating grain boundary on dielectric loss behaviors of (In3+/Ta5+) co-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Results Phys 2020, 16: 102886.

Sun J, Xu C, Zhao X, et al. Improved dielectric properties of indium and tantalum co-doped CaCu3Ti4O12 ceramic prepared by spark plasma sintering. IEEE Trans Dielectr Electr Insul 2020, 27: 1400–1408.

Hasan MK, Shant SH, Islam MZ, et al. Influence of Nb and Zr co-doping on the structural, morphological and dielectric properties of CaCu3Ti4O12 ceramics. IOP Conf Ser: Mater Sci Eng 2021, 1045: 012004.

Mao P, Wang J, Xiao P, et al. Colossal dielectric response and relaxation behavior in novel system of Zr4+ and Nb5+ co-substituted CaCu3Ti4O12 ceramics. Ceram Int 2021, 47: 111–120.

Xu Z, Qiang H, Chen Y, et al. Microstructure and enhanced dielectric properties of yttrium and zirconium co-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. Mater Chem Phys 2017, 191: 1–5.

Bai L, Wu Y, Zhang L. Influence of FeNb codoping on the dielectric and electrical properties of CaCu3Ti4O12 ceramics. J Alloys Compd 2016, 661: 6–13.

Qu Y, Wu Y, Wu J, et al. Simultaneous epsilon-negative and mu-negative property of Ni/CaCu3Ti4O12 metacomposites at radio-frequency region. J Alloys Compd 2020, 847: 156526.

Qu Y, Du Y, Fan G, et al. Low-temperature sintering Graphene/CaCu3Ti4O12 nanocomposites with tunable negative permittivity. J Alloys Compd 2019, 771: 699–710.

Qu Y, Lin J, Wu J, et al. Graphene-carbon black/CaCu3Ti4O12 ternary metacomposites toward a tunable and weakly ε-negative property at the radio-frequency region. J Phys Chem C 2020, 124: 23361–23367.

Hu W, Lau K, Liu Y, et al. Colossal dielectric permittivity in (Nb+Al) codoped rutile TiO2 ceramics: Compositional gradient and local structure. Chem Mater 2015, 27: 4934–4942.

Song Y, Wang X, Zhang X, et al. Colossal dielectric permittivity in (Al + Nb) co-doped rutile SnO2 ceramics with low loss at room temperature. Appl Phys Lett 2016, 109: 142903.

Wu J, Nan CW, Lin Y, et al. Giant dielectric permittivity observed in Li and Ti doped NiO. Phys Rev Lett 2002, 89: 217601.

Peng Z, Liang P, Wang X, et al. Fabrication and characterization of CdCu3Ti4O12 ceramics with colossal permittivity and low dielectric loss. Mater Lett 2018, 210: 301–304.

Jumpatam J, Somphan W, Boonlakhorn J, et al. Non-ohmic properties and electrical responses of grains and grain boundaries of Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 ceramics. J Am Ceram Soc 2017, 100: 157–166.

Peng Z, Wu D, Liang P, et al. Grain boundary engineering that induces ultrahigh permittivity and decreased dielectric loss in CdCu3Ti4O12 ceramics. J Am Ceram Soc 2020, 103: 1230–1240.

Peng Z, Liang P, Wang J, et al. Interfacial effect inducing thermal stability and dielectric response in CdCu3Ti4O12 ceramics. Solid State Ion 2020, 348: 115290.

Winkler E, Rivadulla F, Zhou JS, et al. Evolution of polaron size in La2−xSrxNiO4. Phys Rev B 2002, 66: 094418.

Wang CC, Zhang LW. Surface-layer effect in CaCu3Ti4O12. Appl Phys Lett 2006, 88: 042906.

Lunkenheimer P, Fichtl R, Ebbinghaus S, et al. Nonintrinsic origin of the colossal dielectric constants in CaCu3Ti4O12. Phys Rev B 2004, 70: 172102.

Sun L, Zhang R, Wang Z, et al. Microstructure and enhanced dielectric response in Mg doped CaCu3Ti4O12 ceramics. J Alloys Compd 2016, 663: 345–350.

Tuichai W, Thongyong N, Danwittayakul S, et al. Very low dielectric loss and giant dielectric response with excellent temperature stability of Ga3+ and Ta5+ co-doped rutile-TiO2 ceramics. Mater Des 2017, 123: 15–23.

Boonlakhorn J, Kidkhunthod P, Thongbai P. A novel approach to achieve high dielectric permittivity and low loss tangent in CaCu3Ti4O12 ceramics by co-doping with Sm3+ and Mg2+ ions. J Eur Ceram Soc 2015, 35: 3521–3528.

Silva Junior E, La Porta FA, Liu MS, et al. A relationship between structural and electronic order-disorder effects and optical properties in crystalline TiO2 nanomaterials. Dalton Trans 2015, 44: 3159–3175.

Boonlakhorn J, Chanlek N, Thongbai P, et al. Strongly enhanced dielectric response and structural investigation of (Sr2+, Ge4+) co-doped CCTO ceramics. J Phys Chem C 2020, 124: 20682–20692.

Subramanian MA, Li D, Duan N, et al. High dielectric constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 phases. J Solid State Chem 2000, 151: 323–325.

Thongbai P, Jumpatam J, Yamwong T, et al. Effects of Ta5+ doping on microstructure evolution, dielectric properties and electrical response in CaCu3Ti4O12 ceramics. J Eur Ceram Soc 2012, 32: 2423–2430.

Moulson AJ, Herbert JM. Electroceramics: Materials, Properties, Applications, 2nd edn. New York; Wiley, 2003: 243–337

Xu Z, Qiang H. Enhanced dielectric properties of Zn and Mn co-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. J Mater Sci: Mater Electron 2017, 28: 376–380.

Li M, Liu Q, Li CX. Study of the dielectric responses of Eu-doped CaCu3Ti4O12. J Alloys Compd 2017, 699: 278–282.

Adams T, Sinclair D, West A. Characterization of grain boundary impedances in fine- and coarse-grained CaCu3Ti4O12 ceramics. Phys Rev B 2006, 73: 094124.

Moreno H, Cortés JA, Praxedes FM, et al. Tunable photoluminescence of CaCu3Ti4O12 based ceramics modified with tungsten. J Alloys Compd 2021, 850: 156652.

Shannon RD. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Cryst Sect A 1976, 32: 751–767.

Rahaman MN. Ceramic Processing and Sintering, 2nd edn. CRC Press, 2017.

Yu R, Xue H, Cao Z, et al. Effect of oxygen sintering atmosphere on the electrical behavior of CCTO ceramics. J Eur Ceram Soc 2012, 32: 1245–1249.

Lee SY, Kim HE, Yoo SI. Subsolidus phase relationship in the CaO-CuO-TiO2 ternary system at 950 °C in air. J Am Ceram Soc 2014, 97: 2416–2419.

Rahaman MN, Manalert R. Grain boundary mobility of BaTiO3 doped with aliovalent cations. J Eur Ceram Soc 1998, 18: 1063–1071.

Chiang YM, Takagi T. Grain-boundary chemistry of Barium titanate and strontium titanate: I, high-temperature equilibrium space charge. J Am Ceram Soc 1990, 73: 3278–3285.

Li M, Sinclair DC, West AR. Extrinsic origins of the apparent relaxorlike behavior in CaCu3Ti4O12 ceramics at high temperatures: A cautionary tale. J Appl Phys 2011, 109: 084106.

Nachaithong T, Thongbai P, Maensiri S. Colossal permittivity in (In1/2Nb1/2)xTi1−xO2 ceramics prepared by a glycine nitrate process. J Eur Ceram Soc 2017, 37: 655–660.

Hong SH, Kim DY, Park HM, et al. Electric and dielectric properties of Nb-doped CaCu3Ti4O12 ceramics. J Am Ceram Soc 2007, 90: 2118–2121.

Chung SY, Choi JH, Choi JK. Tunable current-voltage characteristics in polycrystalline calcium copper titanate. Appl Phys Lett 2007, 91: 091912.

Mao P, Wang J, Liu S, et al. Improved dielectric and nonlinear properties of CaCu3Ti4O12 ceramics with Cu-rich phase at grain boundary layers. Ceram Int 2019, 45: 15082–15090.

Cortés JA, Moreno H, Orrego S, et al. Dielectric and non-ohmic analysis of Sr2+ influences on CaCu3Ti4O12-based ceramic composites. Mater Res Bull 2021, 134: 111071.

Cotrim G, Cortés JA, Moreno H, et al. Tunable capacitor-varistor response of CaCu3Ti4O12/CaTiO3 ceramic composites with SnO2 addition. Mater Charact 2020, 170: 110699.

Sinclair DC, Adams TB, Morrison FD, et al. CaCu3Ti4O12: One-step internal barrier layer capacitor. Appl Phys Lett 2002, 80: 2153.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Advanced Ceramics

Tập 10 Số 6

1243-1255

Thông tin tác giả