Nanocristallizzazione in fase iniziale come metodo per migliorare le proprietà elettriche dei vetri di borato di vanadio drogati con titanato di piombo/bario

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12498 (2023) Citare questo articolo

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Nanocompositi vetroceramici (GCN) di (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 con x = 0, 2,5, 5, 7,5 e 10% in moli si sono formati durante il trattamento termico di vetri convenzionali per tempra a fusione . La diffrazione dei raggi X è stata utilizzata per garantire la formazione di vetro e GCN. Le densità di vetri e GCN sono state misurate secondo il principio di Archimede. L'incorporazione di fini cluster polari di titanato di piombo e/o titanato di bario nella matrice di vetro di borato di vanadio dipende fortemente dalla composizione. Si è scoperto che la conduttività elettrica dei vetri iniziali può essere notevolmente migliorata mediante un adeguato stadio iniziale di nanocristallizzazione a temperature che si avvicinano alle temperature di cristallizzazione determinate con il metodo DSC. I GCN mostrano un massiccio aumento della conduttività elettrica (fino a 6 ordini di grandezza) in funzione del contenuto di BaTiO3. Aumentando il contenuto di BaTiO3, è stato riscontrato che i valori dell'energia di attivazione aumentano. L'aumento della conduttività elettrica dei GCN può essere attribuito all'aumento delle fasi cristalline nella matrice vetrosa che aumenta le concentrazioni delle coppie ioniche V.

Recentemente, i nanocompositi vetroceramici (GCN) contenenti nanocristalliti ferroelettrici dispersi nella matrice vetrosa hanno ricevuto un notevole interesse. Durante il processo di trattamento termico del vetro, all'interno della matrice di vetro si formano minuscoli cristalli e il livello di porosità viene ridotto, il che offre un grande vantaggio ai GCN1,2. I sistemi di vetro e vetroceramica incorporati con materiali ferroelettrici hanno notevoli applicazioni come filtri a radiofrequenza, attuatori, memorie flash ecc.3. I GCN contenenti ossido di metallo di transizione (TMO) mostrano un comportamento semiconduttore come risultato di ioni di valenza superiori a uno. Nella matrice di vetro contenente ossido di vanadio si riscontra conduzione dovuta a piccoli salti di polaroni (SPH) tra V4+ ↔ V5+. La dimensione dei grani del precetto nanocristallino formato gioca un ruolo significativo nel miglioramento della conduttività elettrica in cui la disposizione dei centri di salto in quei grani riduce al minimo la dispersione dei bordi dei grani4,5,6.

Il titanato di piombo (PbTiO3) ha una struttura di Peroviskite con buone proprietà dielettriche, stabilità termica e proprietà ferroelettriche. Inoltre, la sua elevata temperatura Curie (490 °C) lo rende adatto per applicazioni con dispositivi ad alta temperatura, come i trasduttori. I grandi spostamenti ionici del titanato di piombo producono una grande polarizzazione spontanea7,8. D'altra parte, negli ultimi decenni, il titanato di bario (BaTiO3) è stato ampiamente studiato per la sua importanza tecnologica nelle applicazioni elettroniche3,9.

Per quanto riguarda la capacità di formare il vetro, il pentossido di vanadio (V2O5) fino al 5% in moli agisce come un modificatore del reticolo di vetro mentre oltre il 10% in moli agisce come un formatore di reti5. Il triossido di boro (B2O3) è un formatore di reti di vetro basico nei vetri borati con un calore di fusione inferiore10, mentre BaTiO3 ha una scarsa capacità di formare vetro3.

Il nostro lavoro mira a studiare il vetro/GCN drogati con titanato di piombo/bario preparati rispettivamente mediante la tecnica convenzionale di tempra in fusione e il metodo di nanocristallizzazione in fase iniziale. Inoltre, è stato studiato l'effetto del titanato di bario sostituito dal titanato di piombo, per produrre materiale senza piombo, sulle proprietà elettriche. La formazione di fasi nanocristalline è stata ottenuta mediante accurato trattamento termico a temperature prossime alla temperatura di cristallizzazione.

La tecnica convenzionale di spegnimento da fusione è stata utilizzata per preparare (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 con x = 0, 2,5, 5, 7,5 e 10% in moli. I nostri prodotti chimici di partenza sono stati gli ossidi di purezza estremamente elevata PbTiO3, BaTiO3, B2O3 (Sigma Aldrich, 99%) e V2O5 (Fisher Scientific, 99,99%) con una miscela totale di 10 g pesati in un rapporto stechiometrico. Dopo 10 minuti Dopo la miscelazione, le polveri delle composizioni nominali sono state poste in un crogiolo di platino e riscaldate per 90 minuti in un forno a muffola a 1250 °C in aria. Per colare la massa fusa è stato utilizzato uno stampo in acciaio inossidabile sotto forma di piastra di 2,0 mm di spessore. Il diffrattometro a raggi X Siemens D5000 con radiazione Cu Kα filtrata con nichel è stato utilizzato per garantire l'amorficità dei vetri preparati sotto una tensione di accelerazione di 40 kV e una corrente di 30 mA. Shimatzou DSC 50, calorimetro a scansione differenziale è stato utilizzato per l'analisi termica con una velocità di riscaldamento di 10 °C/min in atmosfera di argon. JEOL 2100, microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) è stato utilizzato per confermare la presenza di nano-cluster all'interno della matrice di vetro. Il campione di vetro così preparato è stato trattato termicamente in aria vicino alla sua temperatura di cristallizzazione Tc secondo i dati DSC a 350 °C per 2 ore per ottenere nanocompositi vetro-ceramici (GCN). I campioni di vetro e GCN sono stati rivestiti con paste d'argento per la conduttività continua utilizzando il pico-amperometro tipo KEITHLEY 485 nell'intervallo di temperature 310–450 K. A temperatura ambiente, i campioni di vetro e GCNS, le densità medie (ρ) sono state misurate con il metodo di Archimede utilizzando il toluene di densità 0,866 g/cm3 come liquido di immersione. Le misurazioni della densità sono state ripetute cinque volte.