Síntese e caracterização estrutural e dielétrica de compostos ferroelétricos Pb1-xRxZr0,40Ti0,60O3 (R = Ba, La)

par Alexandre Mesquita

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Alain Michalowicz.

Le président du jury était Lotfi Bessais.

Le jury était composé de Alain Michalowicz, Valmor Roberto Mastelaro, Vera Lúcia Arantes.

Les rapporteurs étaient José Antonio Eiras, Marco Antonio Sacilotti.

  • Titre traduit

    Synthèse et caracterisation des composés ceramiques ferroelectriques Pb1-xRxZr0,40Ti0,60O3 (R = Ba, La)


  • Résumé

    Les principaux objectifs de cette thèse de doctorat ont été de réaliser la synthèse et la caractérisation structurale et dieléctrique des échantillons céramiques ferroélectriques appartenants au système Pb1-xRxZr0,40Ti0,60O3 avec R = Ba et La et x entre 0,00 à 0,50. Ce système a été choisi car il est un matériel ferroélectrique qui a des propriétés physiques intéressantes, comme haute constante diélectrique et piézo-électrique, ce qui les rend candidats potentiels pour des applications telles que les condensateurs à haute densité d'énergie et les actionneurs. Afin d'évaluer le comportement relaxor, les études ont été effectuées avec la variation de la composition, du type de dopage (par des atomes de la même ou différente valence – La ou Ba) et de la taille des particules de céramique, dès l'échelle micrométrique à l'échelle nanométrique. Les échantillons céramiques micrométriques ont été préparées par la méthode de réaction de l'état solide et la frittage dans un four électrique conventionnel. Les données fournies par la technique de diffraction des rayons X de cettes échantillons ont montré une transition de une phase tétragonal pour une phase cubique avec l'augmentation de la concentration de cations substituants. Ces changements ont été attribués à une diminution de distorsion dans le maille cristallographique en raison de l'apparition de défauts causés par l'incorporation de dopage. Les mesures électriques ont été obtenues par spectroscopie d'impédance et ont montré un comportement électrique relaxor à partir de compositions avec plus de 12% at. La et de 30% at. Ba pour les systèmes PLZT et PBZT, respectivement. Les mesures électriques de l'échantillon avec 12%, 13% et 14% at. La et 30% at. Ba présentent un comportement qui, selon la littérature, est liée à une transition de phase spontanée d'un comportement relaxor et au comportement d'un matérial ferroélectrique normal. La technique de diffraction des rayons X a également été utilisé pour surveiller le processus de transition de phase en fonction de la température pour échantillons PLZT et PBZT. Il est possible de voir le changement de structure tétragonal de groupe d'espace P4mm en structure cubique de groupe d'espace Pm-3m. En ce qui concerne la structure locale, nous avons effectué des mesures expérimentales avec la technique de spectroscopie d'absorption des rayons X dans le spectre XANES aux seuils d'absorption de différents éléments pour les échantillons PLZT et PBZT. Dans les cas de seuil d'absorption K du titane, l'intégration de La et Ba atomes de la structure du PZT entraîne une diminution dans le désordre local dans le octaèdre TiO6, vérifié par la réduction du déplacement statique de atome Ti au centre de l'octaèdre TiO6. Cette évolution est plus faible pour les échantillons que montrent le comportement relaxor. Les spectres d'absorption EXAFS au seuil LIII du plomb et seuil K du zirconium ont été effectués aussi et ces mesures indiquent que la structure locale autour des atomes de plomb ou de zirconium est également affectée par l'introduction des atomes de La et Ba dans la structure. Le comportement relaxor a été aussi étudié en fonction de la taille de grain dans une échelle nanométrique. Ainsi les échantillons de compostions PZT, PLZT11 et PBZT10 ont eté préparés en utilisant la méthode de synthèse chimique de polymères précurseurs et le processus de frittage par spark plasma. La caractérisation de ces échantillons par diffraction de rayons X montrent que les paramétres de maille réduisent en comparison avec les échantillons de même composition et taille de grain micrométrique. Pour l'échantillon de composition PLZT11, il est possible de constater le comportement relaxor par les mesures de la constante dieléctrique en fonction de la température. Les changements quand la taille de grain est dans une échelle nanométrique sont attribués à la limitation des frontières de grains, qui provoquent un systéme de tension, responsable de la diminuition des paramétres de maille, et provoquent l'apparition de domaines ferroélectriques nanométriques

  • Titre traduit

    Synthesis and characterization of Pb1-xRxZr0.40Ti0.60O3 (R = Ba, La) ferroelectric materials


  • Résumé

    The main objectives of this doctoral thesis were the synthesis and structural characterization of Pb1-xRxZr0.40Ti0.60O3 ferroelectric ceramic samples, with R = Ba and La and x between 0.00 to 0.50. This system was chosen because its interesting physical properties such as high dielectric and piezoelectric constant. These characteristics make it potential candidate for applications such as capacitors in high energy density and actuators. To evaluate the relaxor behavior, the studies were carried out with the change in the composition, type of doping (by atoms of the same or different valence – La or Ba) and the particle size of ceramics, from the micrometer to nanometer scale. Micrometric ceramic samples are prepared by the method of reaction of solid state and sintering in a conventional furnace. The characterization with X-ray diffraction technique of these samples showed a transition from tetragonal phase to a cubic phase with increase of the dopping cation concentration. These changes have been attributed to the appearance of defects caused by the incorporation of La or Ba cations. Electrical measurements were obtained by impedance spectroscopy and showed a electric relaxor behavior from compositions with more than 12 at. % of La and the 30 at. % of Ba for PLZT and PBZT systems, respectively. These measurements for the samples with 12 at. %, 13 at. % and 14 at. % of La and 30 at. % of Ba exhibit a behavior that, according to the literature, is related to a spontaneous phase transition from a relaxor behavior to a normal ferroelectric behsvior. The technique of X-ray diffraction also been used to monitor the phse transition phase as a function of the temperature for PLZT and PBZT samples. It is possible to note the change in a tetragonal structure with P4mm space group to a cubic structure with Pm-3m space group. Concerning the local structure, XANES spectra in the absorption edge of various elements in PLZT and PBZT samples were performed. In the cases of Ti K-edge absorption, the dopping of La and Ba atoms in the PZT structure leads to a decrease of the local disorder in the TiO6 octahedron and it is verified the reduction of static displacement of Ti atom in the center of the TiO6 octahedron. This displacement is lower for samples that show relaxor behavior. The EXAFS measurements in Pb LIII-edge and Zr K-edge were performed and also indicate that local structure around lead or zirconium atoms is also affected by the introduction of La and Ba atoms in the PZT structure. The relaxor behavior was also studied depending on the size of particle size in a nanometer scale. Thus samples PZT, PLZT11 and PBZT10 compositions were prepared using the synthesis method of precursor polymers and the process of sintering by spark plasma. Characterization of these samples by X-ray diffraction shows that the lattice parameters are reduced in comparison with samples of the same composition and micrometer particle size. For PLZT11 composition, it is possible to observe a relaxor behavior by measurement of the dielectric permittivity as a function of the temperature. These changes when the grain size is in a nanoscale are attributed to the grain boundaries, that are responsible for the decrease in the lattice parameters and the appearance of ferroelectric nanodomains


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