På vej mod nye lovende ferroelektriske materialer af perovskit-typen:Højtrykssyntese af rubidiumniobat

Kondensatorer er afgørende komponenter i elektroniske enheder som smartphones og computere. De er lavet af dielektriske materialer, der polariserer ved påføring af spændingen. I øjeblikket bariumtitanat (BaTiO₃ ) er det mest udbredte materiale til kondensatorer.

Bariumtitanat tilhører perovskitgruppen af ​​materialer, hvor en titaniumion befinder sig i et oktaedrisk iltbur. Materialet udviser ferroelektrisk opførsel af fortrængningstypen, hvor forskydningen af ​​ioner under faseovergangen fører til dannelsen af ​​et permanent dipolmoment i materialet.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Dalton Transactions , har forskere ledet af professor Ayako Yamamoto fra Shibaura Institute of Technology, inklusive masterstuderende Kimitoshi Murase, udviklet et ferroelektrisk materiale af forskydningstypen med en høj dielektrisk konstant. Den teoretiske del blev undersøgt af Dr. Hiroki Moriwake og hans gruppe fra Japan Fine Ceramics Center.

Ved at anvende en højtryksmetode har forskere med succes inkorporeret betydelige rubidiumioner i forbindelser af perovskit-typen, hvilket resulterede i syntesen af ​​rubidiumniobat (RbNbO₃ ). Denne forbindelse, der tidligere var kendt for sin udfordrende synteseproces, blev effektivt skabt gennem en innovativ tilgang.

RbNbO₃ udviser forskydningsferroelektricitet som BaTiO₃ , hvilket gør det til en lovende kandidat for kondensatorer og interesse i at syntetisere RbNbO₃ går tilbage til 1970'erne. Undersøgelser af dets dielektriske egenskaber er dog kun blevet udført ved lave temperaturer (under 27°C).

Denne undersøgelse kaster lys over krystalstrukturen og faseovergangene over et bredt temperaturområde (–268 til +800°C), hvilket baner vejen for yderligere forskning og udvikling.

"Højtrykssyntesemetoden har rapporteret om en række materialer med perovskit-type strukturer, herunder superledere og magneter. I denne undersøgelse var vores fokus på at kombinere niobater og alkalimetaller kendt for deres høje dielektriske egenskaber," siger prof. Yamamoto.

Forskerne syntetiserede ikke-perovskit-type RbNbO₃ ved at sintre en blanding af rubidiumcarbonat og niobiumoxid ved 1.073 K (800°C), derefter udsætte den for høje tryk på 40.000 atmosfærer ved 1.173 K (900°C) i 30 minutter. Under disse højtryks- og højtemperaturforhold gennemgik rubidiumniobaten en strukturel transformation fra en kompleks triklinisk fase ved omgivende trykfase til en 26 % tættere ortorhombisk perovskit-type struktur.

Ved hjælp af røntgendiffraktion undersøgte forskerne krystalstrukturen. Deres analyse ved hjælp af en enkelt krystal afslørede, at krystalstrukturen lignede den for kaliumniobat (KNbO₃ ) og udviste lignende forvrængninger observeret i BaTiO₃ , begge velkendte ferroelektriske materialer.

Imidlertid fandt de, at orthorombiiteten og forskydningen af ​​niobiumatomer i RbNbO₃ overskredet KNbO₃s , hvilket indikerer en højere grad af dielektrisk polarisering på grund af faseovergange.

Desuden identificerede forskere gennem pulverrøntgendiffraktion fire forskellige faseovergange, der forekommer på tværs af temperaturer fra -268 °C til +800 °C. Under stuetemperatur, RbNbO₃ eksisterer i en ortorombisk fase, som er den mest stabile konfiguration.

Efterhånden som temperaturen stiger, gennemgår den overgange:først til en tetragonal perovskitfase over 220°C, derefter til en mere langstrakt tetragonal perovskitfase ud over 300°C. Til sidst, over 420°C, vender den tilbage til en ikke-perovskitfase fundet under atmosfæriske forhold.

Disse observerede faseovergange stemmer nøje overens med forudsigelser foretaget gennem beregninger med de første principper. Forskerne beregnede også den dielektriske polarisering af forskellige faser af RbNbO₃ . De fandt, at den ortorhombiske fase havde en polarisering på 0,33 C m ⁻² , mens de to tetragonale faser viste polariseringer på 0,4 og 0,6 C m ⁻² , henholdsvis. Disse værdier er sammenlignelige med dem for ferroelektriske alkalimetalniobater, såsom KNbO₃ (0,32 C m ⁻² ), LiNbO₃ (0,71 C m ⁻² ), og LiTaO₃ (0,50 C m ⁻² ).

"Højtryksfasen opnået denne gang bekræftede tilstedeværelsen af ​​en polær struktur fra observationen af ​​anden harmonisk generering af samme styrke som kaliumniobat, og en relativt høj relativ permittivitet blev også opnået. Hvad angår dielektrisk konstant, forventes det at at værdier lig med eller større end kaliumniobats værdier kan opnås ved at øge prøvedensiteten, som forudsagt ud fra teoretiske beregninger," siger prof. Yamamoto.

Forskerne planlægger yderligere eksperimenter for nøjagtigt at måle dielektricitetskonstanten og demonstrere den høje polarisering af RbNbO₃ . Fordelen ved højtryksmetoden ligger i dens evne til at stabilisere stoffer, der ikke eksisterer under atmosfærisk tryk.

Ved at bruge den foreslåede metode kunne større alkalimetalioner såsom cæsium inkorporeres i perovskitstrukturen, hvilket fører til ferroelektriske stoffer med ønskelige dielektriske egenskaber.

Flere oplysninger: Ayako Yamamoto et al., Krystalstruktur og egenskaber af rubidiumniobat af perovskit-typen, en højtryksfase af RbNbO3, Dalton-transaktioner (2024). DOI:10.1039/D4DT00190G

Journaloplysninger: Dalton-transaktioner

Leveret af Shibaura Institute of Technology