Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12セラミックスの巨大誘電特性の計算および実験による研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4638 (2023) この記事を引用

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改良されたゾルゲル法を使用して、高い誘電率を有する Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックスの製造に成功しました。 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの誘電率は、室温および 1 kHz で 104 より大きい値に達します。 さらに、これらのセラミックは、広い温度範囲にわたって 2 つの異なる熱誘電誘電緩和を示します。 損失正接は確かに小さく、~0.032 ～ 0.035 です。 低温では、誘電緩和は酸素空孔効果に起因し、高温では、粒界およびサンプル電極接触効果に起因すると考えられました。 私たちの計算により、Y イオンと Na イオンがそれぞれ Ca サイトと Cu サイトを占有する可能性が高いことが明らかになりました。 その結果、他の Cu 関連相、特に CuO が粒界に観察されました。 私たちの分析に基づくと、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 では Na イオンと Y イオンの間に電荷補償が存在します。 さらに、XPS 研究で観察された Cu+ および Ti3+ 状態は、格子内の酸素空孔の存在に由来します。 最後に、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの巨大な誘電率の主な原因は、主に内部バリア層コンデンサ効果に起因します。

人々は日常生活において高性能電子機器に大きく依存しています。 したがって、必須コンポーネントに使用される材料の電子特性の強化から始まり、電子デバイスの製造に至るまで、数多くの電子技術革新が開発されてきました。 最もよく表現される視点は、デバイスのパフォーマンスを向上させながらデバイスのサイズを縮小したいという要望です1、2、3、4、5。 もう 1 つの観点は、電子機器における有害化合物の使用を減らす必要性です 5、6、7、8、9、10、11、12。 近年、ハイテクデバイス、特に電力貯蔵に使用されるデバイスが盛んに議論されています1、2、3、4。 以前に発表された研究では、一時的な蓄電にはコンデンサの使用が重要であるため、コンデンサの性能が向上することが示されています1、2、3、4、5。 セラミック コンデンサは、グラフィックス カードやランダム アクセス メモリ (RAM) など、さまざまなデバイスの必須コンポーネントとして広く使用されています13。 材料の誘電特性によって、さまざまな用途、特にコンデンサへの適合性が決まります。 誘電率 (ε') と誘電正接 (tan δ) は、材料の誘電性能を示す重要なパラメータです 14。 金属イオンを共ドープした TiO2、金属イオンを共ドープした SnO2、およびドープされていない、単一ドープおよび共ドープされた ACu3Ti4O12 (A=Ca、Cd、Na1/2Y1/2、Sm2/3、Y2/3) セラミックスに対する最近の関心構造的および誘電的特性の調査に興味を持つ学者の注目を集めています1、2、3、4、5、6、15、16、17、18、19、20、21、22。 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 (NYCTO) は、近年研究された最も人気のあるセラミック誘電体の 1 つです18、19、20、22。

NYCTO セラミックの場合、最も顕著な 2 つの研究分野は、その誘電特性の強化と、その巨大な誘電応答の原因の調査です 18、19、20、22。 一般に、NYCTO セラミックスの高い ε' は興味深いものです。 内部バリア層コンデンサ (IBLC) モデルによると、NYCTO および類似のセラミックの高い ε' の原因として最も広く認識されているのは、界面分極です 23,24。 これは、微細構造の不均一性によるものです。 高度な技術的手法により、NYCTO および関連セラミックスに半導体粒子と絶縁性粒界 (GB) が存在することが示されています 18、19、20、22、23、24。 IBLC モデルに基づく微視的スケールから、ナノスケールのバリア層容量 (NBLC) メカニズムとドメイン境界の影響は、固有の欠陥から生じます。 それらは、NYCTO における巨大な誘電反応の起源であることが判明しました 25,26。 私たちの以前の研究では、固相反応（SSR）によって生成され、1100°Cでさまざまな時間焼結されたNYCTOセラミックが、高いε'値（0.13〜2.30×104）と低いtanδ値（0.030〜0.11118）を達成したことが示されました。 Ahmad と Kotb は、スパーク プラズマ (SP) 焼結の使用によって焼結温度が低下したことを報告しました。 彼らは、975 °C で 10 分間焼結した NYCTO セラミックで約 2.49×104 という高い ε' を発見しました。 それにも関わらず、そのtanδは依然として非常に高い(~3.39)20。 さらに、Kotb と Ahmad は、SSR を使用して製造され、空気中 1050 °C で 10 時間焼結された NYCTO セラミックで 4.50×103 の ε' 値と 0.055 の損失正接が得られることを明らかにしました19。 SSR後、高い焼結温度(1100℃)を使用して、104を超えるε'値と0.10未満のtanδが得られました。 湿式化学技術、特に改良ゾルゲル技術は、低温焼結によって望ましい特性を備えた誘電体セラミックを製造するための実行可能な製造方法として提案されている6、9、10、12。 湿式化学法で製造された ACu3Ti4O12 セラミックの誘電特性は広範囲に文書化されています 6、7、8、9、10、11、12 が、NYCTO 向けに公開されたことはありません。 いくつかの NYCTO 研究では、SEM 画像で追加の相の軽微な分解が観察されました 18、20、27。 ただし、XRD ではそれらを識別できません。 これらの相は、NYCTO で低い Tanδ 値で高い ε' 値を生成する可能性があります。 結果として、NYCTO の調製には改良されたゾルゲル法を使用する必要があります。 NYCTO セラミックスの研究は広く報告されていますが、実験結果のみが提示されています。 このセラミックの電気的および誘電的特性についての洞察を得るには、密度汎関数理論 (DFT) に基づく実験的手法と計算的手法の両方を組み合わせることが合理的です。