Bariumtitanaat behoort tot de perovskietgroep van materialen, waarbij een titaniumion zich in een octaëdrische zuurstofkooi bevindt. Het materiaal vertoont ferro-elektrisch gedrag van het verdringende type, waarbij de verplaatsing van ionen tijdens de faseovergang leidt tot het creëren van een permanent dipoolmoment in het materiaal.

Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Dalton Transactions hebben onderzoekers onder leiding van professor Ayako Yamamoto van het Shibaura Institute of Technology, waaronder masterstudent Kimitoshi Murase, een ferro-elektrisch materiaal van het verplaatsingstype met een hoge diëlektrische constante ontwikkeld. Het theoretische deel werd onderzocht door Dr. Hiroki Moriwake en zijn groep van het Japan Fine Ceramics Center.

Met behulp van een hogedrukmethode hebben onderzoekers met succes aanzienlijke rubidiumionen in perovskiet-achtige verbindingen ingebouwd, resulterend in de synthese van rubidiumniobaat (RbNbO₃ ). Deze verbinding, voorheen bekend om zijn uitdagende syntheseproces, werd effectief gecreëerd via een innovatieve aanpak.

RbNbO₃ vertoont verplaatsingsferro-elektriciteit zoals BaTiO₃ , waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor condensatoren en interesse in het synthetiseren van RbNbO₃ dateert uit de jaren zeventig. Onderzoek naar de diëlektrische eigenschappen is echter alleen uitgevoerd bij lage temperaturen (onder 27°C).

Deze studie werpt licht op de kristalstructuur en faseovergangen over een breed temperatuurbereik (–268 tot +800°C), wat de weg vrijmaakt voor verder onderzoek en ontwikkeling.

"De hogedruksynthesemethode heeft een verscheidenheid aan materialen met perovskietachtige structuren gerapporteerd, waaronder supergeleiders en magneten. In deze studie lag onze focus op het combineren van niobaten en alkalimetalen die bekend staan ​​om hun hoge diëlektrische eigenschappen", zegt prof. Yamamoto.

De onderzoekers synthetiseerden niet-perovskiet-type RbNbO₃ door een mengsel van rubidiumcarbonaat en niobiumoxide te sinteren bij 1073 K (800°C), en het vervolgens gedurende 30 minuten te onderwerpen aan hoge drukken van 40.000 atmosfeer bij 1173 K (900°C). Onder deze omstandigheden onder hoge druk en hoge temperaturen onderging het rubidiumniobaat een structurele transformatie van een complexe triclinische fase bij omgevingsdruk naar een 26% dichtere orthorhombische perovskiet-achtige structuur.

Met behulp van röntgendiffractie onderzochten de onderzoekers de kristalstructuur. Uit hun analyse met behulp van een enkel kristal bleek dat de kristalstructuur sterk leek op die van kaliumniobaat (KNbO₃ ) en vertoonden soortgelijke vervormingen waargenomen in BaTiO₃ , beide bekende ferro-elektrische materialen.

Ze ontdekten echter dat de orthorhombiciteit en verplaatsing van niobiumatomen in RbNbO₃ overtrof die van KNbO₃ , wat wijst op een hogere mate van diëlektrische polarisatie als gevolg van faseovergangen.

Bovendien identificeerden onderzoekers door middel van poederröntgendiffractie vier verschillende faseovergangen die optreden bij temperaturen variërend van –268°C tot +800°C. Beneden kamertemperatuur, RbNbO₃ bestaat in een orthorhombische fase, wat de meest stabiele configuratie is.

Naarmate de temperatuur stijgt, ondergaat het overgangen:eerst naar een tetragonale perovskietfase boven 220°C, en vervolgens naar een meer langwerpige tetragonale perovskietfase boven 300°C. Ten slotte keert het boven 420°C terug naar een niet-perovskietfase die onder atmosferische omstandigheden wordt aangetroffen.

Deze waargenomen faseovergangen komen nauw overeen met voorspellingen die zijn gedaan via berekeningen op basis van de eerste principes. De onderzoekers berekenden ook de diëlektrische polarisatie van verschillende fasen van RbNbO₃ . Ze ontdekten dat de orthorhombische fase een polarisatie had van 0,33 C m ⁻² , terwijl de twee tetragonale fasen polarisaties vertoonden van 0,4 en 0,6 C m ⁻² respectievelijk. Deze waarden zijn vergelijkbaar met die van ferro-elektrische alkalimetaalniobaten zoals KNbO₃ (0,32 C m ⁻² ), LiNbO₃ (0,71 C m ⁻² ), en LiTaO₃ (0,50 C m ⁻² ).

"De hogedrukfase die dit keer werd verkregen bevestigde de aanwezigheid van een polaire structuur uit de waarneming van tweede harmonische generatie met dezelfde sterkte als kaliumniobaat, en er werd ook een relatief hoge relatieve diëlektrische constante verkregen. Wat betreft de diëlektrische constante wordt verwacht dat waarden gelijk aan of groter dan die van kaliumniobaat kunnen worden verkregen door de monsterdichtheid te verhogen, zoals voorspeld op basis van theoretische berekeningen", zegt prof. Yamamoto.

De onderzoekers plannen verdere experimenten om de diëlektrische constante nauwkeurig te meten en de hoge polarisatie van RbNbO₃ aan te tonen. . Het voordeel van de hogedrukmethode ligt in het vermogen om stoffen te stabiliseren die niet bestaan ​​onder atmosferische druk.

Met behulp van de voorgestelde methode kunnen grotere alkalimetaalionen zoals cesium in de perovskietstructuur worden opgenomen, wat leidt tot ferro-elektrische materialen met gewenste diëlektrische eigenschappen.

Meer informatie: Ayako Yamamoto et al, Kristalstructuur en eigenschappen van rubidiumniobaat van het perovskiettype, een hogedrukfase van RbNbO3, Dalton-transacties (2024). DOI:10.1039/D4DT00190G

Journaalinformatie: Dalton-transacties

Aangeboden door Shibaura Institute of Technology