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Type: Tese
Title: Bi3R2Ti3FeO15 (R=Bi, Gd, and Nd): from structural properties to microwave device applications
Title in English: Bi3R2Ti3FeO15 (R=Bi, Gd, and Nd): from structural properties to microwave device applications
Authors: Silva, Paulo Henrique Teixeira da
Advisor: Fechine, Pierre Basílio Almeida
Keywords: Bi 5 Ti 3 FeO 15;Material cerâmico;Terra-rara
Issue Date: 5-Jul-2022
Citation: SILVA, P. H. T. Bi3R2Ti3FeO15 (R=Bi, Gd, and Nd): from structural properties to microwave device applications. 2022. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia e Ciência de Materiais, Fortaleza, 2022.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este trabalho compreende o estudo do material ferroelétrico estruturado em camada de bismuto Bi 3 R 2 Ti 3 FeO 15 (R = Bi, Nd e Gd) e a investigação de suas propriedades, visando avaliar esses materiais como alternativa para aplicação em dispositivos eletrônicos, como capacitores cerâmicos e antenas ressoadoras dielétricas cilíndricas (CDRA). Os materiais cerâmicos foram obtidos por reação de estado sólido convencional, e as caracterizações foram realizadas através das técnicas de PXRD, Espectroscopia Raman, magnetização FC-ZFC, espectroscopia Mössbauer e espectroscopia de impedância, a fim de melhor compreender as relações entre as propriedades morfológicas e estruturais desses materiais cerâmicos e suas propriedades elétricas, magnéticas e dielétricas. A difração por raios-X e o refinamento Rietveld, revelam que todas as amostras apresentaram estrutura ortorrômbica com grupo espacial A2 1 am. Bi 3 Nd 2 Ti 3 FeO 15 (BNFTO) e Bi 3 Gd 2 Ti 3 FeO 15 (BGFTO) apresentaram redução na distorção ortorrômbica quando comparados ao Bi 5 Ti 3 FeO 15 (BFTO). Para a análise Raman, mudanças significativas observadas na intensidade de alguns modos, bem como o deslocamento dos modos para frequências mais altas, ocorreram devido à substituição dos átomos de Bi nas camadas de perovskita pelos átomos mais leves de Gd e Nd. A suscetibilidade magnética de todas as amostras segue a lei de Curie-Weiss, com valores negativos da temperatura de Curie-Weiss, demonstrando que as interações magnéticas são de natureza antiferromagnética. As curvas de magnetização sugeriram um comportamento weak canted ferromagnetic para T <25 K, seguido de um comportamento linear nas curvas em altas temperaturas. Medidas de espectroscopia Mössbauer revelaram um aumento dos valores de desdobramento quadrupolar à medida que a temperatura diminui, indicando que as amostras apresentam distorções locais, favorecendo a existência de fase ferromagnética fraca via interação Dzyaloshinskii-Moriya antisimétrica. A espectroscopia de impedância foi realizada para estabelecer uma correlação entre as propriedades elétricas e a microestrutura das cerâmicas. Uma relaxação do tipo não-Debye, induzida por um mecanismo termicamente ativado, pode ser observado em todas as amostras. Em caráter inovador, esses materiais foram aplicados como capacitores cerâmicos e CDRA. Os parâmetros de estabilidade térmica e de desempenho de operação, obtidos por análise experimental e simulada, são contrastados em detalhes com outros trabalhos publicados. Os resultados sugerem, que as três fases são novos candidatos para capacitores X4D, com excelente estabilidade de temperatura (29–150 ◦ C, TCC ≤ ±3, 3%). Além disso, as CDRA mostraram grande potencial para aplicação em microondas, operando na banda S. Uma mudança no valor de τ f da fase BFTO (- 428,48 ppm ◦ C −1 ) para BGFTO (+59,17 ppm ◦ C −1 ) e BNFTO (+ 57,69 ppm ◦ C −1 ) é observada. Este resultado abre uma grande oportunidade para trabalhos futuros em CDRA com coeficientes de temperatura próximos de zero (τ f ∼ 0).
Abstract: This work comprises the study of bismuth layer-structured ferroelectric material Bi 3 R 2 Ti 3 FeO 15 (R = Bi, Nd, and Gd) and the investigation of their properties, aiming to evaluate these materials as alternative for application in electronic devices, such as ceramic capacitors and cylindrical dielectric resonator antenna (CDRA). The ceramic materials were obtained by conventional solid-state reaction, and the characterizations were performed through the techniques of PXRD, Raman Spectroscopy, FC-ZFC magnetization, Mössbauer spectroscopy, and Impedance spectroscopy, in order to better understand the relations between the morphological and structural properties of these ceramic materials and their electrical, magnetic, and dielectric properties. X-ray diffraction and Rietveld refinement reveal that all samples presented orthorhombic structure with A2 1 am space group. Bi 3 Nd 2 Ti 3 FeO 15 (BNFTO) and Bi 3 Gd 2 Ti 3 FeO 15 (BGFTO) presented a reduction in the orthorhombicity when compared to Bi 5 Ti 3 FeO 15 (BFTO). For the Raman analysis, significant changes observed in the intensity of some modes, as well as the shift of modes to higher frequencies, occurred due to the replacement of Bi atoms in the perovskite layers by the lighter Gd and Nd atoms. The magnetic susceptibility of all samples followed the Curie–Weiss law, with negative values of the Curie–Weiss temperature, demonstrating that the magnetic interactions are antiferromagnetic in nature. The magnetization curves suggested a weak canted ferromagnetic behavior for temperatures below 25 K, followed by a linear behavior in the curves at high temperatures. Mössbauer spectroscopy measurements revealed an increase of the quadrupole splitting values as the temperature decreases, indicating that the samples present local distortions, favoring the existence of weak ferromagnetic phase via the antisymmetric Dzyaloshinskii–Moriya interaction. Impedance spectroscopy was performed to establish a correlation between the electrical properties and the microstructure of the ceramics. A non-Debye relaxation induced by a thermally activated mechanism can be observed in all samples. In an innovative way, these materials were applied as ceramic capacitors and CDRA. The thermal stability and operating performance parameters, obtained by experimental and simulated analysis, are contrasted in detail with other published works. The results suggest that the three phases are new candidates for X4D capacitors, with excellent temperature stability (29–150 ◦ C, TCC ≤ ±3.3%). Furthermore, CDRA showed great potential for microwave application, operating in the S band. A change in the value of τ f of the BFTO phase (-428.48 ppm ◦ C −1 ) for BGFTO (+ 59.17 ppm ◦ C −1 ) and BNFTO (+ 57.69 ppm ◦ C −1 ) is observed. This result opens a great opportunity for future work on CDRA with temperature coefficients close to zero (τ f ∼ 0).
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/69054
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