Nanocristallisation à un stade précoce comme méthode d'amélioration des propriétés électriques de verres de borate de vanadium dopés au titanate de plomb/baryum

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12498 (2023) Citer cet article

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Des nanocomposites vitrocéramiques (GCN) de (10 − x) BaTiO3 (BT) – xPbTiO3 (PT) – 60V2O5 – 30B2O3 avec x = 0, 2,5, 5, 7,5 et 10 % en moles ont été formés lors du traitement thermique de verres de trempe à l'état fondu conventionnels. . La diffraction des rayons X a été utilisée pour assurer la formation de verre et de GCN. Les densités de verres et de GCN ont été mesurées selon le principe d'Archimède. L'incorporation de fins amas polaires de titanate de plomb et/ou de titanate de baryum dans la matrice de verre de borate de vanadium dépend fortement de la composition. Il a été découvert que la conductivité électrique des verres initiaux peut être considérablement améliorée par un stade précoce de nanocristallisation à des températures proches des températures de cristallisation déterminées par la méthode DSC. Les GCN présentent une augmentation massive de la conductivité électrique (jusqu'à 6 ordres de grandeur) en fonction de la teneur en BaTiO3. En augmentant la teneur en BaTiO3, les valeurs d’énergie d’activation augmentent. L'amélioration de la conductivité électrique des GCN peut être attribuée à l'augmentation des phases cristallines dans la matrice vitreuse, ce qui augmente les concentrations des paires d'ions V.

Récemment, les nanocomposites vitrocéramiques (GCN) contenant des nanocristallites ferroélectriques dispersés dans la matrice de verre ont suscité un intérêt considérable. Au cours du processus de traitement thermique du verre, de minuscules cristaux se forment à l’intérieur de la matrice de verre et le niveau de porosité est également réduit, ce qui confère un grand avantage aux GCN1,2. Les systèmes de verre et de vitrocéramique intégrés à des matériaux ferroélectriques ont des applications remarquables telles que les filtres radiofréquence, les actionneurs, les mémoires flash, etc.3. Les GCN contenant de l'oxyde de métal de transition (TMO) présentent un comportement semi-conducteur en raison d'ions de valence supérieure à une. Dans une matrice de verre contenant de l'oxyde de vanadium, la conduction est due à un petit saut de polaron (SPH) entre V4+ ↔ V5+. La taille des grains du précepte nanocristallin formé joue un rôle important dans l'amélioration de la conductivité électrique dans la disposition des centres de saut dans la mesure où les grains minimisent la diffusion aux limites des grains4,5,6.

Le titanate de plomb (PbTiO3) a une structure péroviskite avec de bonnes propriétés diélectriques, thermiques et ferroélectriques. De plus, sa température de Curie élevée (490 °C) le rend adapté aux applications d'appareils à haute température, comme les transducteurs. Les grands déplacements ioniques du titanate de plomb produisent une grande polarisation spontanée7,8. D’autre part, le titanate de baryum (BaTiO3) a fait l’objet de nombreuses études au cours des dernières décennies en raison de son importance technologique dans les applications électroniques3,9.

Pour la capacité de formation du verre, le pentoxyde de vanadium (V2O5), jusqu'à 5 % en moles, agit comme un modificateur de réseau de verre tandis qu'à plus de 10 % en moles, il agit comme un formateur de réseau5. Le trioxyde de bore (B2O3) est un formateur de réseau vitreux basique dans les verres borate avec une chaleur de fusion plus faible10, tandis que BaTiO3 a une faible capacité de formation de verre3.

Nos travaux visent à étudier les verres/GCN dopés au plomb/titanate de baryum préparés respectivement par la technique conventionnelle de trempe à l'état fondu et la méthode de nanocryatalisation à un stade précoce. De plus, l'effet du titanate de baryum remplacé par du titanate de plomb, pour produire un matériau sans plomb, sur les propriétés électriques a été étudié. La formation de phases nanocristallines a été obtenue par un traitement thermique minutieux à des températures proches de la température de cristallisation.

Une technique conventionnelle de trempe à l'état fondu a été utilisée pour préparer (10 − x) BaTiO3 (BT) – xPbTiO3 (PT) – 60V2O5 – 30B2O3 avec x = 0, 2,5, 5, 7,5 et 10 % en moles. Les oxydes de très haute pureté de qualité réactif PbTiO3, BaTiO3, B2O3 (Sigma Aldrich, 99 %) et V2O5 (Fisher Scientific, 99,99 %) étaient nos produits chimiques de départ avec un mélange total de 10 g pesé dans un rapport stoechiométrique. Après 10 minutes. Après mélange, des poudres de compositions nominales ont été placées dans un creuset en platine et chauffées pendant 90 min dans un four à moufle à 1 250 °C dans l'air. Un moule en acier inoxydable a été utilisé pour couler la masse fondue sous forme de plaque de 2,0 mm d'épaisseur. Un diffractomètre à rayons X Siemens D5000 avec rayonnement Cu Kα filtré au nickel a été utilisé pour garantir l'amorphicité des verres préparés sous une tension accélératrice de 40 kV et un courant de 30 mA. Shimatzou DSC 50, un calorimètre différentiel à balayage, a été utilisé pour l'analyse thermique avec une vitesse de chauffage de 10 °C/min sous une atmosphère d'argon. JEOL 2100, microscope électronique à transmission haute résolution (HRTEM) a été utilisé pour confirmer la présence de nano-amas à l'intérieur de la matrice de verre. L'échantillon de verre ainsi préparé a été traité thermiquement dans de l'air proche de sa température de cristallisation Tc selon les données DSC à 350 ° C pendant 2 h pour obtenir des nanocomposites verre-céramique (GCN). Les échantillons de verre et de GCN ont été recouverts de pâtes d'argent pour la conductivité continue à l'aide d'un pico-ampèremètre de type KEITHLEY 485 dans une plage de températures de 310 à 450 K. À température ambiante, les densités moyennes (ρ) des échantillons de verre et de GCN ont été mesurées par la méthode d'Archimède en utilisant du toluène de densité. 0,866 g/cm3 comme liquide d'immersion. Les mesures de densité ont été répétées cinq fois.