Os capacitores são componentes cruciais em dispositivos eletrônicos, como smartphones e computadores. Eles são feitos de materiais dielétricos que polarizam na aplicação da tensão. Atualmente, titanato de bário (BaTiO₃ ) é o material mais utilizado para capacitores.



O titanato de bário pertence ao grupo de materiais perovskita, onde um íon titânio reside dentro de uma gaiola octaédrica de oxigênio. O material apresenta comportamento ferroelétrico do tipo deslocativo, onde o deslocamento de íons durante a transição de fase leva à criação de um momento dipolar permanente dentro do material.

Em um estudo publicado na revista Dalton Transactions , pesquisadores liderados pela professora Ayako Yamamoto do Instituto de Tecnologia Shibaura, incluindo o aluno de mestrado Kimitoshi Murase, desenvolveram um material ferroelétrico do tipo deslocamento com alta constante dielétrica. A parte teórica foi investigada pelo Dr. Hiroki Moriwake e seu grupo do Japan Fine Ceramics Center.

Empregando um método de alta pressão, os pesquisadores incorporaram com sucesso íons de rubídio consideráveis ​​em compostos do tipo perovskita, resultando na síntese de niobato de rubídio (RbNbO₃ ). Este composto, anteriormente conhecido pelo seu processo de síntese desafiador, foi efetivamente criado através de uma abordagem inovadora.

RbNbO₃ exibe ferroeletricidade de deslocamento como BaTiO₃ , tornando-o um candidato promissor para capacitores e interesse em sintetizar RbNbO₃ remonta à década de 1970. No entanto, as investigações sobre as suas propriedades dielétricas só foram realizadas em baixas temperaturas (abaixo de 27°C).

Este estudo lança luz sobre a estrutura cristalina e as transições de fase em uma ampla faixa de temperatura (–268 a +800°C), abrindo caminho para futuras pesquisas e desenvolvimento.

"O método de síntese de alta pressão relatou uma variedade de materiais com estruturas do tipo perovskita, incluindo supercondutores e ímãs. Neste estudo, nosso foco foi na combinação de niobatos e metais alcalinos conhecidos por suas altas propriedades dielétricas, "diz o Prof.

Os pesquisadores sintetizaram RbNbO₃ do tipo não perovskita sinterizando uma mistura de carbonato de rubídio e óxido de nióbio a 1.073 K (800°C), depois submetendo-a a altas pressões de 40.000 atmosferas a 1.173 K (900°C) por 30 minutos. Sob estas condições de alta pressão e alta temperatura, o niobato de rubídio sofreu uma transformação estrutural de uma fase triclínica complexa à pressão ambiente para uma estrutura do tipo perovskita ortorrômbica 26% mais densa.

Usando difração de raios X, os pesquisadores investigaram a estrutura cristalina. Sua análise usando um único cristal revelou que a estrutura cristalina se assemelhava muito à do niobato de potássio (KNbO₃ ) e exibiram distorções semelhantes observadas em BaTiO₃ , ambos materiais ferroelétricos bem conhecidos.

No entanto, eles descobriram que a ortorrombicidade e o deslocamento dos átomos de nióbio em RbNbO₃ excedeu os de KNbO₃ , indicando um maior grau de polarização dielétrica devido às transições de fase.

Além disso, através da difração de raios X do pó, os pesquisadores identificaram quatro transições de fase distintas que ocorrem em temperaturas que variam de –268°C a +800°C. Abaixo da temperatura ambiente, RbNbO₃ existe em uma fase ortorrômbica, que é a configuração mais estável.

À medida que a temperatura aumenta, ela sofre transições:primeiro para uma fase de perovskita tetragonal acima de 220°C, depois para uma fase de perovskita tetragonal mais alongada além de 300°C. Finalmente, acima de 420°C, reverte para uma fase não-perovskita encontrada em condições atmosféricas.

Estas transições de fase observadas correspondem de perto às previsões feitas através de cálculos de primeiros princípios. Os pesquisadores também calcularam a polarização dielétrica de diferentes fases do RbNbO₃ . Eles descobriram que a fase ortorrômbica tinha uma polarização de 0,33 C m ⁻² , enquanto as duas fases tetragonais apresentaram polarizações de 0,4 e 0,6 C m ⁻² , respectivamente. Esses valores são comparáveis ​​aos de niobatos de metais alcalinos ferroelétricos, como KNbO₃ (0,32 C·m ⁻² ), LiNbO₃ (0,71 C·m ⁻² ) e LiTaO₃ (0,50 C·m ⁻² ).

“A fase de alta pressão obtida desta vez confirmou a presença de uma estrutura polar a partir da observação da geração de segundo harmônico da mesma força do niobato de potássio, e também foi obtida uma permissividade relativa relativamente alta. que valores iguais ou superiores aos do niobato de potássio podem ser obtidos aumentando a densidade da amostra, conforme previsto a partir de cálculos teóricos", diz o Prof. Yamamoto.

Os pesquisadores estão planejando novos experimentos para medir com precisão a constante dielétrica e demonstrar a alta polarização do RbNbO₃ . A vantagem do método de alta pressão reside na sua capacidade de estabilizar substâncias que não existem sob pressão atmosférica.

Usando o método proposto, íons maiores de metais alcalinos, como o césio, poderiam ser incorporados à estrutura da perovskita, levando a ferroelétricos com propriedades dielétricas desejáveis.

Mais informações: Ayako Yamamoto et al, Estrutura cristalina e propriedades do niobato de rubídio do tipo perovskita, uma fase de alta pressão de RbNbO3, Dalton Transactions (2024). DOI:10.1039/D4DT00190G
Informações do diário: Transações Dalton

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia Shibaura