Kondensatorer är avgörande komponenter i elektroniska enheter som smartphones och datorer. De är gjorda av dielektriska material som polariserar vid applicering av spänningen. För närvarande bariumtitanat (BaTiO3 ) är det mest använda materialet för kondensatorer.
Bariumtitanat tillhör perovskitgruppen av material, där en titanjon finns i en oktaedrisk syrebur. Materialet uppvisar ett ferroelektriskt beteende av förskjutningstyp, där förskjutningen av joner under fasövergången leder till skapandet av ett permanent dipolmoment i materialet.
I en studie publicerad i tidskriften Dalton Transactions , har forskare under ledning av professor Ayako Yamamoto från Shibaura Institute of Technology, inklusive masterstudenten Kimitoshi Murase, utvecklat ett ferroelektriskt material av förskjutningstyp med en hög dielektrisk konstant. Den teoretiska delen undersöktes av Dr. Hiroki Moriwake och hans grupp från Japan Fine Ceramics Center.
Genom att använda en högtrycksmetod har forskare framgångsrikt införlivat betydande rubidiumjoner i föreningar av perovskittyp, vilket resulterade i syntesen av rubidiumniobat (RbNbO3 ). Denna förening, tidigare känd för sin utmanande syntesprocess, skapades effektivt genom ett innovativt tillvägagångssätt.
RbNbO3 uppvisar förskjutningsferroelektricitet som BaTiO3 , vilket gör den till en lovande kandidat för kondensatorer och intresse för att syntetisera RbNbO3 går tillbaka till 1970-talet. Undersökningar av dess dielektriska egenskaper har dock endast utförts vid låga temperaturer (under 27°C).
Denna studie belyser kristallstrukturen och fasövergångar över ett brett temperaturområde (–268 till +800°C), vilket banar väg för vidare forskning och utveckling.
"Högtryckssyntesmetoden har rapporterat en mängd olika material med strukturer av perovskittyp, inklusive supraledare och magneter. I denna studie låg vårt fokus på att kombinera niobater och alkalimetaller kända för sina höga dielektriska egenskaper", säger Prof. Yamamoto.
Forskarna syntetiserade RbNbO3 av icke-perovskittyp genom att sintra en blandning av rubidiumkarbonat och nioboxid vid 1 073 K (800°C), sedan utsätta den för höga tryck på 40 000 atmosfärer vid 1 173 K (900°C) under 30 minuter. Under dessa högtrycks- och högtemperaturförhållanden genomgick rubidiumniobaten en strukturell omvandling från en komplex triklinisk fas vid omgivande tryckfas till en 26 % tätare struktur av ortorombisk perovskittyp.
Med hjälp av röntgendiffraktion undersökte forskarna kristallstrukturen. Deras analys med en enkristall avslöjade att kristallstrukturen liknade den för kaliumniobat (KNbO3 ) och uppvisade liknande snedvridningar som observerades i BaTiO3 , båda välkända ferroelektriska material.
De fann dock att ortorombiciteten och förskjutningen av niobatomer i RbNbO3 överträffade de för KNbO3 , vilket indikerar en högre grad av dielektrisk polarisation på grund av fasövergångar.
Dessutom, genom pulverröntgendiffraktion, identifierade forskare fyra distinkta fasövergångar som inträffade över temperaturer från –268 °C till +800 °C. Under rumstemperatur, RbNbO3 existerar i en ortorombisk fas, vilket är den mest stabila konfigurationen.
När temperaturen stiger genomgår den övergångar:först till en tetragonal perovskitfas över 220°C, sedan till en mer långsträckt tetragonal perovskitfas över 300°C. Slutligen, över 420°C, återgår den till en icke-perovskitfas som hittas under atmosfäriska förhållanden.
Dessa observerade fasövergångar matchar nära förutsägelser gjorda genom beräkningar av de första principerna. Forskarna beräknade också den dielektriska polariseringen av olika faser av RbNbO3 . De fann att den ortorombiska fasen hade en polarisation på 0,33 C m −2 , medan de två tetragonala faserna visade polarisationer på 0,4 och 0,6 C m −2 , respektive. Dessa värden är jämförbara med de för ferroelektriska alkalimetallniobater som KNbO3 (0,32 C m −2 ), LiNbO3 (0,71 C m −2 ), och LiTaO3 (0,50 C m −2 ).
"Högtrycksfasen som erhölls denna gång bekräftade närvaron av en polär struktur från observationen av generering av andra övertoner med samma styrka som kaliumniobat, och en relativt hög relativ permittivitet erhölls också. När det gäller dielektricitetskonstanten förväntas det att värden lika med eller större än de för kaliumniobat kan erhållas genom att öka provtätheten, som förutspåtts från teoretiska beräkningar", säger Prof. Yamamoto.
Forskarna planerar ytterligare experiment för att noggrant mäta dielektricitetskonstanten och visa den höga polariseringen av RbNbO3 . Fördelen med högtrycksmetoden ligger i dess förmåga att stabilisera ämnen som inte finns under atmosfärstryck.
Med den föreslagna metoden kunde större alkalimetalljoner såsom cesium införlivas i perovskitstrukturen, vilket leder till ferroelektriska ämnen med önskvärda dielektriska egenskaper.
Mer information: Ayako Yamamoto et al, Kristallstruktur och egenskaper hos rubidiumniobat av perovskittyp, en högtrycksfas av RbNbO3, Dalton Transactions (2024). DOI:10.1039/D4DT00190G
Journalinformation: Dalton-transaktioner
Tillhandahålls av Shibaura Institute of Technology
