Scopul cercetării 

Scopul cercetării a fost acela de a investiga ceramici feroelectrice cu dimensiuni granulare submicronice variabile, în vederea punerii în evidență a efectelor de scală asupra proprietăților funcționale feroelectrice, dielectrice și a tunabilitatii, precum și pentru a evidenția rolul efectelor intrinseci (scăderea polarizației spontane, a permittivității și tunabilității) și extrinseci (al granițelor intergranulare, defecte) asupra acestora. Esențiale pentru obținerea de ceramici dense nanostructurate cu dimensiuni medii ale particulelor in domeniul de interes sunt obținerea în primă fază de nanopulberi de calitate, neaglomerate, cu distribuție dimensională îngustă și stabilirea unui protocol de densificare corespunzator care să inhibe creșterea granulelor.

Ceramicile BST cu granulație fină au fost preparate din nanopulberi obținute prin metoda sol-gel, consolidată prin sinterizare cu cu scânteie în plasmă, pentru a inhiba creșterea granulației. S-au obținut ceramici dense, monofazice și pure. Prin variația condițiilor de sinterizare s-au obținut modificări ale dimensiunilor granulelor ceramicii în cazul ambelor compoziții investigate, de la ordin nanometric la submicronic. Impactul reducerii dimensiunilor granulelor asupra proprietăților dielectrice și feroelectrice ale ceramicii dense BST obținute a fost investigat pe o gamă largă de frecvențe și temperaturi, prin intermediul tehnicilor de câmpuri electrice joase și înalte, pentru a stabili corelații clare între efectul doar al dimensiunii granulelor, atunci când nu se induce porozitate în timpul prelucrării și proprietățile ceramicii BST cu granulație fină.

Lider

Dr. Roxana Elena Patru; UEF-ID Brainmap Code: U-1700-039N-2562

Mentor

Prof. dr. ing. Adelina Carmen Ianculescu; UEF-ID Brainmap Code: U-1700-038X-7849

Rezumat al realizărilor semnificative

Studiul ceramicii dense Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ cu granulație variabilă s-a axat în principal pe efectul dimensiunii granulelor asupra proprietăților structurale, morfologice, electrice, piroelectrice și feroelectrice, tratând cu interes suprapunerea fazelor tetragonale și cubice în apropierea temperaturii camerei. Tranziția de fază de la cubic la tetragonal a ceramicii la scară nanometrică este difuză și aplatizată, extinsă pe câteva zeci de grade. Prin creșterea mărimii grăuntelui, are loc o evoluție de la o tranziție de fază de ordinul 2 la o tranziție de fază de ordinul 1 pentru ceramicele submicronice cu un grad scăzut de difuzivitate. În același timp, gradul de tetragonalitate a celulei unitare, constanta Curie și polarizarea indusă de câmp cresc odată cu creșterea dimensiunii granulelor, în timp ce conductivitatea este redusă. La temperatura ambiantă este prezent un volum mare de regiuni nepolare, care se reduce semnificativ odată cu creșterea dimensiunii granulelor, confirmând coexistența fazelor tetragonale și cubice. Rezultatele obținute sunt extrem de originale și au un impact semnificativ, având în vedere că în literatura de specialitate nu există studii concludente pentru această compoziție și nu au fost investigate proprietățile funcționale ale câmpurilor joase și înalte la dimensiuni de granulație atât de mici.

Studiul ceramicii dense Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ cu granulație variabilă s-a axat în principal pe efectul reducerii dimensiunii granulelor până la scară nanometrică asupra celor mai importante proprietăți funcționale. Comun tuturor ceramicii din această compoziție este caracterul difuz al tranziției de fază de la feroelectric la paraelectric, cu punctul Curie stabilit la aproximativ 280 K, cu o valoare scăzută a permitivității dielectrice maxime și prezența caracterului de neliniaritate dielectrică (tunabilitate) și de comutare P(E) cu bucle de histerezis înclinate cu suprafață mică și polarizare remanentă scăzută deasupra punctului Curie. Maximul de permitivitate este puternic aplatizat și, pe măsură ce dimensiunea grăuntelui scade, se reduce drastic la câteva sute. Măsurătorile la câmpuri înalte au arătat că permitivitatea în funcție de câmpul electric aplicat se modifică de la forma de fluture la subțire, dar neliniaritatea este încă observată chiar și pentru ceramica de dimensiuni nanometrice. În plus, în timp ce tunabilitatea electrică prezintă o dependență liniară de câmp, o scădere progresivă a tunabilității are loc odată cu scăderea dimensiunii granulelor. Histereticitatea se reduce odată cu scăderea dimensiunii granulelor și, de asemenea, cu creșterea temperaturii. Deși saturația polarizării feroelectrice la temperatura camerei nu a fost atinsă nici măcar pentru câmpuri electrice de până la 70 kV/cm, densitățile de stocare a energiei determinate la acest câmp electric sunt comparabile sau chiar mai mari decât cele raportate anterior pentru ceramicele Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ cu granulații micronice sau submicronice. Cu toate acestea, pierderile de energie la temperatura camerei sunt ridicate la 70 kV/cm, în principal din cauza caracterului histeretic la câmpuri electrice ridicate și a pierderilor dielectrice. Eficiența de stocare a energiei este de aproximativ 80% pentru ceramicele submicronice și scade la ~67% pentru ceramicele nanometrice. Principalele avantaje ale nanostructurării în ceramica densă Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ sunt: (i) reducerea permitivității sub 1000, menținând în același timp un nivel acceptabil de reglabilitate; (ii) liniarizarea dependenței permitivitate-câmp, dobândind un comportament reversibil și previzibil în detrimentul efectului fluture; (iii) creșterea capacității și eficienței de stocare a energiei electrostatice datorită caracterului histeretic scăzut, (iv) nanoclusteri polari stabili din punct de vedere termic peste temperatura Curie. Rezultatele originale demonstrează că nanostructurarea poate face din electroceramica densă un candidat de succes în microunde și dispozitive reglabile.

1 Structural, functional properties and enhanced thermal stability of bulk graded (Ba,Sr)TiO3 structures obtained by spark plasma sintering (lucrare publicată)

Autori: Mihaela Botea, Ioana Pintilie, Vasile-Adrian Surdu, Cătălina-Andreea Stanciu, Roxana-Doina Truşcă, Bogdan Ştefan Vasile, Roxana Patru, Mircea Udrea, Adelina-Carmen Ianculescu, Lucian Pintilie

Autori corespondenți: Adelina Carmen Ianculescu și Lucian Pintilie

Studiu: Fenomene la graniță și proprietăți piroelectrice în ceramici Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ în context arhitectural gradat compozițional

Journal of Materials Research and Technology, Volum 12, Mai–Iunie 2021, Paginile 2085-2103, Factor de impact: 6.267 (2021)  Scor de influență: 0.297 (2021)

 

2 Grain size-driven effect on the functional properties in Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ ceramics consolidated by spark plasma sintering (lucrare acceptata spre publicare, cu revizie minora)

Autori: Roxana-Elena Patru, Catalina Andreea Stanciu, Elena Mirabela Soare, Valise-Adrian Surdu, Roxana Doina Trusca, Adrian Ionut Nicoara, Bogdan Ştefan Vasile, Andra Georgia Boni, Luminita Amarande, Nadejda Horchidan, Lavinia Curecheriu, Liliana Mitoseriu, Lucian Pintilie, Ioana Pintilie, Adelina Carmen Ianculescu

Autori corespondenți: Roxana Elena Pătru și Adelina Carmen Ianculescu

Studiu: Influența dimensiunii granulare asupra proprietăților funcționale de câmp slab și înalt în ceramici dense nanostructurate având compozitia Ba_0.6Sr_0.4TiO₃

Journal of the European Ceramic Society, Manuscript Number: JECESOC-D-22-03143, Factor de impact: 6.364 (2021) Scor de influență: 0.762 (2021)

 

3 In search of the size-driven phase co-existence in ferroelectric Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ electroceramics (lucrare în curs de trimitere)

Autori: Roxana-Elena Patru, Catalina Andreea Stanciu, Elena Mirabela Soare, Valise-Adrian Surdu, Roxana Doina Trusca, Adrian Ionut Nicoara, Nadejda Horchidan, Lavinia Curecheriu, Liliana Mitoseriu, Lucian Trupina, Lucian Pintilie, Ioana Pintilie, Adelina Carmen Ianculescu

Autor corespondent: Adelina Carmen Ianculescu și Ioana Pintilie

Studiu: Influența dimensiunii granulare asupra proprietăților funcționale de câmp slab și înalt în ceramici dense nanostructurate având compozitia Ba_0.8Sr_0.2TiO₃

Lucrarea se va trimite la Journal of the European Ceramic Society (Factor de impact: 6.364, Scor de influență: 0.762) sau Ceramics International (Factor de impact: 5.532, Scor de influență: 0.552).

 

4 Electrical transport phenomena in nanostructured BST dense electroceramics (lucrare în pregătire)

Autori: Roxana-Elena Patru, Catalina Andreea Stanciu, Valise-Adrian Surdu, Bogdan Ştefan Vasile, Roxana Doina Trusca, Lucian Pintilie, Ioana Pintilie, Adelina Carmen Ianculescu

Studiu: Influența dimensiunii granulare asupra proprietăților de conducție electrică și a fenomenelor de transport activate termic, într-o abordare complexă experiment/model teoretic în ceramici dense nanostructurate având compozițiile Ba_0.8Sr_0.2TiO₃ și Ba_0.6Sr_0.4TiO₃

Lucrarea se va trimite la Journal of the European Ceramic Society (Factor de impact: 6.364, Scor de influență: 0.762) sau Ceramics International (Factor de impact: 5.532, Scor de influență: 0.552).

---

Prezentări la conferințe internationale: 1 invitată și 2 oral (în tematica grantului cu mulțumiri PN-III-P1-1.1-PD-2019-0739):

1 Downscaling to the critical dimension for stability of the ferroelectric phase in BST ceramics

Autori: R. E. Pătru, M. Botea, C.-A. Stanciu, V.-A. Surdu, R.-D. Truşcă, B. S. Vasile, M. Udrea, I. Pintilie, A.-C. Ianculescu, L. Pintilie

Prezentare orală: ICPAM-13, 12^th International Conference on Physics of Advanced Materials, September 24-30, 2021, Sant Feliu de Guixols, Spain

2 Low and high field electrical properties of dense fine-grained ferroelectric ceramics prepared via sol-gel method

Autori: Roxana Elena Patru, Catalina-Andreea Stanciu, Georgia Andra Boni, Lavinia Petronela Curecheriu, Nadejda Horchidan, Vasile-Adrian Surdu, Bogdan Vasile, Roxana Trusca, Liliana Mitoseriu, Adelina-Carmen Ianculescu, Ioana Pintilie, Lucian Pintilie

Prezentare orală: Electroceramics XVIII, Ceramics in Europe, 10-14 Iulie 2022, Krakow, Polonia.

3 Size-effects in fine-grained BST ceramics: preparation and functional properties

Autori: Roxana Elena Patru, Catalina-Andreea Stanciu, Georgia Boni, Nadejda Horchidan, Lavinia Petronela Curecheriu, Vasile-Adrian Surdu, Bogdan Vasile, Roxana Trusca, Liliana Mitoseriu, Adelina-Carmen Ianculescu, Ioana Pintilie and Lucian Pintilie

Prezentare invitată: International Workshop on Advanced Materials and Applications, 28-29 Octombrie, 2022, Iasi, Romania.

Roxana Elena Patru

email: roxana.patru@infim.ro

(+040) 0767 029 290