Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12セラミックスの巨大誘電特性の計算および実験による研究

Oct 05, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4638 (2023) この記事を引用

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改良されたゾルゲル法を使用して、高い誘電率を有する Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックスの製造に成功しました。 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの誘電率は、室温および 1 kHz で 104 より大きい値に達します。さらに、これらのセラミックは、広い温度範囲にわたって 2 つの異なる熱誘電誘電緩和を示します。損失正接は確かに小さく、~0.032 ～ 0.035 です。低温では、誘電緩和は酸素空孔効果に起因し、高温では、粒界およびサンプル電極接触効果に起因すると考えられました。私たちの計算により、Y イオンと Na イオンがそれぞれ Ca サイトと Cu サイトを占有する可能性が高いことが明らかになりました。その結果、他の Cu 関連相、特に CuO が粒界に観察されました。私たちの分析に基づくと、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 では Na イオンと Y イオンの間に電荷補償が存在します。さらに、XPS 研究で観察された Cu+ および Ti3+ 状態は、格子内の酸素空孔の存在に由来します。最後に、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの巨大な誘電率の主な原因は、主に内部バリア層コンデンサ効果に起因します。

人々は日常生活において高性能電子機器に大きく依存しています。したがって、必須コンポーネントに使用される材料の電子特性の強化から始まり、電子デバイスの製造に至るまで、数多くの電子技術革新が開発されてきました。最もよく表現される視点は、デバイスのパフォーマンスを向上させながらデバイスのサイズを縮小したいという要望です1、2、3、4、5。もう 1 つの観点は、電子機器における有害化合物の使用を減らす必要性です 5、6、7、8、9、10、11、12。近年、ハイテクデバイス、特に電力貯蔵に使用されるデバイスが盛んに議論されています1、2、3、4。以前に発表された研究では、一時的な蓄電にはコンデンサの使用が重要であるため、コンデンサの性能が向上することが示されています1、2、3、4、5。セラミックコンデンサは、グラフィックスカードやランダムアクセスメモリ (RAM) など、さまざまなデバイスの必須コンポーネントとして広く使用されています13。材料の誘電特性によって、さまざまな用途、特にコンデンサへの適合性が決まります。誘電率 (ε') と誘電正接 (tan δ) は、材料の誘電性能を示す重要なパラメータです 14。金属イオンを共ドープした TiO2、金属イオンを共ドープした SnO2、およびドープされていない、単一ドープおよび共ドープされた ACu3Ti4O12 (A=Ca、Cd、Na1/2Y1/2、Sm2/3、Y2/3) セラミックスに対する最近の関心構造的および誘電的特性の調査に興味を持つ学者の注目を集めています1、2、3、4、5、6、15、16、17、18、19、20、21、22。 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 (NYCTO) は、近年研究された最も人気のあるセラミック誘電体の 1 つです18、19、20、22。

NYCTO セラミックの場合、最も顕著な 2 つの研究分野は、その誘電特性の強化と、その巨大な誘電応答の原因の調査です 18、19、20、22。一般に、NYCTO セラミックスの高い ε' は興味深いものです。内部バリア層コンデンサ (IBLC) モデルによると、NYCTO および類似のセラミックの高い ε' の原因として最も広く認識されているのは、界面分極です 23,24。これは、微細構造の不均一性によるものです。高度な技術的手法により、NYCTO および関連セラミックスに半導体粒子と絶縁性粒界 (GB) が存在することが示されています 18、19、20、22、23、24。 IBLC モデルに基づく微視的スケールから、ナノスケールのバリア層容量 (NBLC) メカニズムとドメイン境界の影響は、固有の欠陥から生じます。それらは、NYCTO における巨大な誘電反応の起源であることが判明しました 25,26。私たちの以前の研究では、固相反応（SSR）によって生成され、1100°Cでさまざまな時間焼結されたNYCTOセラミックが、高いε'値（0.13〜2.30×104）と低いtanδ値（0.030〜0.11118）を達成したことが示されました。 Ahmad と Kotb は、スパークプラズマ (SP) 焼結の使用によって焼結温度が低下したことを報告しました。彼らは、975 °C で 10 分間焼結した NYCTO セラミックで約 2.49×104 という高い ε' を発見しました。それにも関わらず、そのtanδは依然として非常に高い(~3.39)20。さらに、Kotb と Ahmad は、SSR を使用して製造され、空気中 1050 °C で 10 時間焼結された NYCTO セラミックで 4.50×103 の ε' 値と 0.055 の損失正接が得られることを明らかにしました19。 SSR後、高い焼結温度(1100℃)を使用して、104を超えるε'値と0.10未満のtanδが得られました。湿式化学技術、特に改良ゾルゲル技術は、低温焼結によって望ましい特性を備えた誘電体セラミックを製造するための実行可能な製造方法として提案されている6、9、10、12。湿式化学法で製造された ACu3Ti4O12 セラミックの誘電特性は広範囲に文書化されています 6、7、8、9、10、11、12 が、NYCTO 向けに公開されたことはありません。いくつかの NYCTO 研究では、SEM 画像で追加の相の軽微な分解が観察されました 18、20、27。ただし、XRD ではそれらを識別できません。これらの相は、NYCTO で低い Tanδ 値で高い ε' 値を生成する可能性があります。結果として、NYCTO の調製には改良されたゾルゲル法を使用する必要があります。 NYCTO セラミックスの研究は広く報告されていますが、実験結果のみが提示されています。このセラミックの電気的および誘電的特性についての洞察を得るには、密度汎関数理論 (DFT) に基づく実験的手法と計算的手法の両方を組み合わせることが合理的です。

この研究では、改良されたゾルゲル技術を使用して、NYCTO セラミックが効果的に製造されました。さらに、NYCTO セラミックの構造特性と誘電特性が系統的に研究され、評価されました。 DFT 計算を実行して、Na、Y、Cu、Ti、O 原子の格子の最も安定な位置を特定しました。すべての実験結果と計算結果が議論され、文献で公開されている値と比較されます。製造プロセスは、結果と考察で最初から最後まで説明されています。

NY9hおよびNY15hセラミックのXRDパターンを図1aに示します。相組成の分析により、2θ = 35.6 で見られる、CCTO 様相と小さな CuO 相 (ICSD No. 01-080-0076) の混合が示されました。 XRD データにより、CCTO 様相は Im-3 (204) 空間群を持つ体心立方構造を示すことが明らかになりました 28。私たちのリートベルト改良では、CaCu3Ti4O12 (ICSD No. 01-075-2188) の空間群と原子位置が初期パラメータとして使用されます。続いて、NYCTO 構造として知られるこの構造の Ca 部位の 0.5 モルを Na と Y で置換しました。 NY9h および NY15h セラミックの Na、Y、Cu、Ti、O の原子位置、占有、空間群を表 1 に示します。表 1 に示すパラメータを使用して、リートベルト法を使用して NY9h の XRD スペクトルを調べました。そしてNY15hセラミックス。これら 2 つのセラミックサンプルに適合するリートベルトプロファイルを図 1b、c に示します。これらの図では、リートベルト手法を使用して実験データを効果的に一致させることができることが実証されています。リートベルト改良の許容可能な結果を示すパラメータが考慮されました。このため、リートベルト精密化の R 係数は 10% 未満である必要があります29。さらに、適合度 (GOF) 係数は値 4 よりも低い必要があります。表 2 に示すように、リートベルト手法により、加重プロファイル R 係数 (Rwt)、期待プロファイル R 係数 (Rexp)、プロファイル R 係数 (Rp)、および GOF 係数。 NY9h および NY15h セラミックの推定格子パラメータ (ɑ) は、それぞれ 7.3816(0) および 7.3823(0) Å であることがわかりました。すべての適合した XRD パターンからの誤差が決定されました。それらは実際に小さく、10−5 Å未満であることが判明した。したがって、現在の研究では格子パラメータの誤差は無視できる程度です。これらの結果は、公表された研究の結果と比較できます5、10、12、28。さらに、NY9h および NY15h セラミックの理論密度 (ρT) は、XRD スペクトルを使用して推定されました。

(a) NY9h および NY15h セラミックの XRD パターン。 (b、c) これら 2 つのサンプルのそれぞれのリートベルトプロファイルの適合。

結果に基づいて、それらはそれぞれ 5.2025 および 5.2011 g/cm3 と決定されました。興味深いのは、NYCTO システムの ρT が CCTO システムで推定された値よりも高いことです。私たちの合成手順では、最初に 3 モルの CuO が使用されます。私たちのリートベルト精密化によると、サンプル中に 2.5 の小さな割合の CuO がまだ残っていることが判明しました。したがって、この残りの CuO は 0.075 モルに相当します。 CuO 相を含まないサンプルの組成は、Na0.5Y0.5Cu3-0.075Ti4O12 または Na0.5Y0.5Cu2.925Ti4O12 となるはずです。

熱処理後のNY9hおよびNY15hセラミックの研磨された断面微細構造とサイズ分布のSEM画像を図2a、bに示します。これらのサンプルでは、異なる粒径が観察されます。さらに、NY9h セラミックと NY15h セラミックの両方で少数の細孔が検出できます。粒子成長が異常であることが判明した。ラインインターセプト技術を使用して、すべてのサンプルの平均粒径を決定しました。これらの結果を表２に示す。ＮＹ９ｈセラミックの平均粒径は約７．７５μｍであり、ＮＹ１５ｈセラミックの平均粒径（約１０．０７μｍ）より小さいことが分かった。

(a) NY9h および (b) NY15h セラミックの研磨断面 SEM 画像とサイズ分布。

これは、NY15h セラミックの焼結時間が長いためである可能性があります。同じ焼結温度では、NY9h および NY15h セラミックの平均粒子は、SSR19 を使用して製造された NYCTO セラミックの平均粒子よりわずかに大きくなります。さらに、当社の試験片の微細構造は、SSR プロセスで製造され 1090 °C で 5 時間焼結された NYCTO セラミックの微細構造よりも特に微細です。さらに、GB 層に示されているように、第 2 段階が存在した可能性があります。 SEM 画像と XRD 所見を比較すると、CuO を表す可能性のある小さな二次相が GB に存在していたと考えられます。

図3に示すように、EDSマッピングは、NaおよびY元素がセラミック表面に均一に分布していることを示しています。 Ti イオンは結晶粒領域に多く存在しますが、GB ではほとんど存在しません。さらに、Cu リッチ相も GB 層 (明るいゾーン) に豊富に存在します。これらの観察に基づいて、CuO が GB で発見されました。製造前に、セラミックの化学量論量と電荷バランスが注意深く検査されました。それにもかかわらず、CuO はまだ分解して第 2 相を形成している可能性があります。私たちの研究によると、NYCTO における関連する Cu 相の存在は、この材料に関する文献に記載されているものと同等です 18,20。 CuO相の分解が異常である可能性があります。したがって、観察された CuO 相の分解の原因を特定するための徹底的な調査を行う必要があります。 NY9h および NY15h セラミックのかさ密度 (ρB) をアルキメデス法を使用して調査したところ、それぞれ 4.5466 および 4.6514 g/cm3 であることがわかりました。 ρT と ρB の値によると、NY9h と NY15h の D ファクターはそれぞれ 87.39 と 89.43% でした。

NY9h セラミックの EDS マッピング。 NY9h サンプル中の (a) すべての元素、(b) Na、(c) Y、(d) Cu、(e) Ti、および (f) O 元素の分布。

私たちは、焼結されたNYCTOセラミックの電気的および誘電的特性の包括的な調査を実施しました。結果は、測定中の相対静電容量 (Cp) と Tanδ で表されます。 ε' 値は、式 1 を使用して決定できます。 (1):

ここで、d はサンプルの厚さを表し、A は金属電極の面積を表し、ε0 は空の空間の誘電率を表します (ε0 = 8.85410−12 F/m)。複素インピーダンス (Z*=Z'-jZ'') プロットは、材料の電気的特性を説明するために誘電体の研究で使用されます。インピーダンスデータを分析するために、図 4d に示す 2 つの並列 RC 要素の理想的な等価回路によって Z* プロットがモデル化されました。図4dから、粒界応答を表す最初のRC要素は、粒界応答を表す2番目のRC要素と直列に接続されています。式 (2) を使用して Z* プロットを計算できます。

ここで、ω=2πf は角周波数、C0=ε0A/d は空間の静電容量です。 ε * は複素誘電率を表し、実数部 (ε') または誘電率と虚数部 (ε''=ε'tanδ) または総損失係数で構成されます。この研究では、NY9h および NY15h セラミックの誘電特性をさまざまな周波数および温度で調査しました。 NY9hおよびNY15hセラミックにおけるε'およびtanδの周波数依存性をそれぞれ図4aおよびbに示します。

(a) NY9h および NY15h セラミックの 20 °C における ε' の周波数依存性。 (b)tanδの周波数依存性。 (c) 20 °C における複素インピーダンス (Z*) プロット。挿入図は 60 °C での Z* を示しています。 (d) 等価回路は、半導体粒子と絶縁性粒界の電気的不均一微細構造を表します。

これらの図に示されているように、105 Hz 未満の周波数範囲では、NY15h セラミックの ε' 値は NY9h セラミックの値よりも大きくなります。 SEM 画像によると、ε' の上昇は、NY15h 試験片の焼結時間の延長によって引き起こされる粒径の増加に強く関係しており、これは材料の IBLC 挙動を示しています。ただし、この微細構造コンポーネントが誘電応答の変化に大きな影響を与える唯一の要因ではない可能性があります。 NY9h および NY15h セラミックの 1 kHz での ε' 値は、それぞれ 1.37 × 104 および 1.99 × 104 でした。驚くべきことに、これら 2 つのセラミックは 1050 °C で焼結することで 104 を超える ε' 値に達することができますが、SSR を使用して製造された NYCTO セラミックはこの値を達成するために 1100 °C で焼結する必要があります 18。改良されたゾルゲル技術を利用して製造された NYCTO セラミックは、良好な誘電特性を備えています。図4bに示すように、103 Hz未満の周波数範囲では、NY15hセラミックのtanδはNY9hセラミックのtanδよりも高くなります。 ε'の急速な減少に対応するtanδの強い増加が、105 Hzより高い周波数で観察されました。これは誘電緩和として知られています19、20、21。より高い周波数で観察される誘電緩和は、粒子内の電荷キャリア共鳴によって引き起こされる可能性があります。その結果、tanδが劇的に増加します。微細構造の結果は、NY9h と比較して NY15h セラミックの Tanδ が増加したのは、材料の全体的な抵抗、特に GB 応答の低下による可能性があることを示しています。 Z* プロットを使用すると、ゲイン (Rg) と GB (Rgb) の抵抗を推定できます。幅の広い半円弧はGBの電気的応答を表し、ゼロ以外の切片は粒子の電気的応答を表します。図4cに示すように、この温度ではRgbを決定できませんが、これらのZ*スペクトルを使用して、これらのプロットの傾きを比較することによって、NY9hセラミックのRgbがNY15hセラミックのRgbよりも大きいと推測できます。 60℃におけるNY9hおよびNY15hのZ*プロットを図4cの挿入図に示します。 20 °C と 60 °C の温度での Z* プロットの傾向が同一であることが明確にわかりました。 NY9h セラミックの Rgb 値が大きいことは、NY15h セラミックと比較して、103 Hz 未満の周波数範囲での Tanδ が低いことと強く関係しています。 NY15 セラミックの低周波範囲における Tanδ の増加は、式 10、11 で示されるように、長距離にわたる電荷の移動によって引き起こされる DC 伝導の増加に直接関係しています 10、11。 (3):

ここで、σdc は DC 導電率を表し、ε's は低周波数での誘電率を表します。低周波では、DC 導電率と Tanδ の関係が式 1 に厳密に従うことが発見されました。 (3)。 NY9h、NY15hの1kHzにおけるtanδ値はそれぞれ0.035、0.032でした。 NY9h および NY15h の ε' 値は、SSR19 および放電プラズマ焼結法 20 を使用して調製された NYCTO セラミックについて報告されている値よりも大きいことがわかりました。さらに、我々のサンプルのtanδは、SSRおよび放電プラズマ焼結アプローチの両方によって合成されたNYCTOセラミックのtanδよりも小さい19、20。したがって、当社の NYCTO セラミックスの誘電特性は、SSR および放電プラズマ焼結法によって得られた NYCTO セラミックスの誘電特性よりも優れています。

焼結温度の低下により、改良されたゾルゲル法を使用した NYCTO セラミックの製造と特性の研究において、高い ε' 値の維持と Tanδ の減少が重要な成果となりました。方程式 Rgb=1/ωCgb (Cgb は GB 静電容量) を考えると、ε' の増加は、粒子サイズの増加によるものに加えて、以前と比べて Rgb が減少したことにも起因する可能性があることを示唆するのがもっともらしいです。 NY9h標本。粒子内部の電気的応答を示すゼロ以外の切片は、Z* プロットでも見られました [図は示されていません]。表 3 に示すように、NY9h および NY15h セラミックの推定 Rg 値は、それぞれ 98 Ω・cm と 103 Ω・cm です。NY9h および NY15h セラミックの焼結時間は約 6 時間異なりますが、それらの Rg 値はほぼ同じです。

図 5 は、NY9h および NY15h セラミックの 1 kHz における ε' の温度依存性を示しています。 NY9h セラミックと NY15h セラミックの両方の ε' 値は、90 °C 未満の温度では安定していると考えられます。さらに、ε'は 90 °C を超える温度でわずかに増加しました。これは、NYCTO セラミックでは DC 伝導が優勢であることを示しています 10,11。このような誘電挙動は、Na1/2Sm1/2Cu3Ti4O12 セラミックで報告されている挙動と似ています 30。現在の研究では、NY9h および NY15h セラミックの 1 kHz における ε' の温度係数が評価されました。 -60 ～ 80 °C の温度範囲では、NY9h セラミックスと NY15h セラミックスの両方の ε' 値の変化は、室温での ε' と比較して 22% 未満でした。調製方法が格子パラメータ、粒径、電気的および誘電的特性などの物理的特性に直接影響することはよく知られています。市販のセラミックコンデンサの要件によれば、ε'、tanδ、および ε' 値の温度安定性は重要なパラメータです14。つまり、1000±50 Hz および室温での損失正接が 0.05 未満であり、誘電率が 5000 を超えています。現在の研究では、修正ゾルゲル法を使用して調製された NYCTO セラミックは非常に高い ε' (1.37 ～ 1.55×104) を示しますが、SSR およびスパークプラズマ焼結法によって得られた NYCTO セラミックの ε' は 103 ～ 104 の範囲にあります。 NYCTO セラミックスの ε' は、ゾルゲル法で製造された Y2/3Cu3Ti4O1231、SSR 法で製造された Na1/2Sm1/2Cu3Ti4O1232 および Na1/2La1/2Cu3Ti4O1233 の ε' よりも 2 ～ 11 倍高いことを強調したいと思います。。 Tanδ を比較すると、当社で合成したセラミックの Tanδ 値 (0.032 ～ 0.035) は、他の製造方法で得られた NYCTO の Tanδ と比較して実際に低いことがわかりました 19,20。さらに、Y2/3Cu3Ti4O1231、Na1/2Sm1/2Cu3Ti4O1232、およびNa1/2La1/2Cu3Ti4O1233セラミックスのtanδは、我々が得たtanδよりも大きい。図5によれば、NY9hセラミックスとNY15hセラミックスの両方の1kHzにおけるε'の温度係数は、-60℃から80℃の範囲の温度で22%未満の変化しかありません。これらの結果に基づいて、当社の NYCTO の ε' 値と Tanδ 値、および ε' 値の温度係数は、X5U および Y5U コンデンサなどのクラス III コンデンサの規格を満たしています14。

NY9hおよびNY15hセラミックの1kHzにおけるε'の温度依存性。その挿入図は、1 kHz における ε' の温度係数を示しています。

室温での焼結NYCTOの非線形JE特性を図6に示します。これらの試料にはIBLC構造が存在するため、JとEの関係は非線形であることがわかりました。この観察は、Chung et al.26 と非常に一致しています。今回の研究では、NY9h および NY15h セラミックスの破壊電界 (Eb) と非線形係数 (α) が計算されました。表 3 に示すように、NY9h および NY15h セラミックの Eb 値はそれぞれ 6.28×103 および 5.83×103 V/cm でした。焼結時間を 9 時間から 15 時間に増やすことにより、Eb の減少は Rgb の減少と相関します。このセラミックスの。 NY9h および NY15h セラミックスの α 値は、それぞれ 7.83 および 7.89 でした。

室温での NY9h および NY15h セラミックの非線形 J – E 特性。

NY9hおよびNY15hセラミックの誘電特性を温度の関数として調査するために、異なる温度でのこれら2つの試験片のε'およびε''の周波数依存性を図7a、bおよび挿入図に示します。 105 Hz 未満の周波数では、ε' 値は温度とともに増加する傾向があります。 ε'' も同じ周波数範囲で温度とともに増加します。この周波数範囲における誘電体の挙動は、GB およびサンプル電極接触などの他の要因で誘発される DC 伝導に起因すると考えられます 34。 105 Hz を超える周波数では、ε' の急速な減少が観察されます。これは、同じ周波数での ε'' 値の急速な増加に対応します。さらに、温度が上昇すると、これらの減少した ε' 値はより高い周波数に移動します。この誘電挙動は、酸素欠損の存在の結果として粒子内部で発生し、誘電緩和プロセスと呼ばれることがよくあります21。図7aおよびbに示すように、温度が上昇するにつれてε''のピーク位置がより高い周波数にシフトすることからわかるように、熱エネルギーは誘電緩和プロセスを活性化する可能性があります21。高周波緩和の活性化エネルギー (Ea) を決定しました。最大ε''ピーク（fmax）における周波数の温度依存性は次のように表されます。

ここで、f0 は定数項、kB はボルツマン定数を表します。 T は絶対温度です。図７ｃおよび図７ｄに示すように、ｆｍａｘの温度依存性は、式７によってうまく適合させることができる。 (4)。当てはめた線の傾きを使用して Ea を計算し、結果の値を表 3 に示します。NY9h および NY15h セラミックの Ea 値は、それぞれ 0.138 および 0.113 eV であることがわかりました。これらの Ea 値は、Liang et al.27 によって報告された値に非常に近いです。酸素空孔の最初のイオン化 (Vo+) と 2 番目のイオン化 (Vo++) は、高温焼結などの手順を通じて容易に生成できることが確立されています 35。たとえば、CCTO が加熱されると、粒界酸素が格子から遊離し、酸素空孔 (Vo) が生成されます。冷却プロセス中、O2- は一部の Vo サイト、特に GB 層の Vo サイトを満たすために使用されます。その結果、粒子内で Vo が検出されます35。

(a、b)それぞれNY9hおよびNY15hセラミックのさまざまな温度におけるε'の周波数依存性。各図の挿入図は、ε''の周波数依存性を示しています。 (c、d) これらのセラミックサンプルの fmax のアレニウスプロット。

Vo+ と Vo++ の固有の欠陥により、それぞれ 0.01 ～ 0.07 eV と 0.10 ～ 0.20 eV の範囲のドナーエネルギーレベルが生成されます 27。 0.113 ～ 0.138 eV の範囲の Ea 値は、セラミック中に Vo++ が存在する結果として、NY9h および NY15h セラミックの粒子内部の電気的応答から生じた可能性があります。各サンプルの高周波領域における誘電緩和のステップは、その Ea 値と強く関連しています。

粒子 (Eg) と GB (Egb) の伝導の活性化エネルギーは、抵抗に関するアレニウスの法則を使用して計算できます。

ここで、R0 は前指数定数項です。現在の研究では、低周波領域におけるサンプルと電極の接触の影響が支配的であるため、NY9h および NY15h セラミックの Z* スペクトルから Rgb を計算することはできません。複素電気係数（Ｍ＊＝Ｍ'＋ｊＭ''）は、Ｒｇｂ計算からサンプル電極接触の影響を排除するために考慮された。次の方程式を使用して M* プロットを作成できます。

Ｍ”ｍａｘはＭ”の最大値を表し、τｇｂ＝１／ωｍａｘは緩和時間の変化を表す。図8は、焼結NYCTOサンプルにおけるM'およびM''の周波数依存性を示しています。 M''max 位置のシフトのパターンは、NY9h セラミックと NY15h セラミックで同等でした。 M''max の位置は、温度の上昇とともに急速に高周波にシフトし、熱的に活性化された誘電緩和を示しています21。さらに、このパターンは、温度の上昇に応じて Rgb が減少することを示しています。 NY9h および NY15h サンプルの 60 °C での Rgb 値は、M* プロットを使用して推定され、それぞれ 1.77 × 106 Ω・cm および 3.32 × 105 Ω・cm であることがわかりました。各サンプルの Rgb 値は、低周波数範囲のtanδと一致しています。

(a) NY9h および (b) NY15h セラミックのさまざまな温度における M' および M'' の周波数依存性。

さらに、複素アドミッタンス (Y*=Y'+jY'') を使用して Rg の温度依存性を調査しました。

ここで、Y' と Y'' は、それぞれ Y* の実数部と虚数部を表します。一般に、Rg 値は、Z* プロットのゼロ以外の切片から近似できます。 Rg は、方程式 Rg = 1/2Y''max を使用したアドミッタンス分光法 (AS) 分析によって計算することもできます。ここで、Y''max は Y'' ピークでの最高値です。図9aおよびbに示すように、30°C未満の温度でNY9hおよびNY15hセラミックの周波数範囲105〜106 HzでY 'ピークが観察されました。 Y''ピークの大きさは温度とともに増加し、Rgの減少を示唆しています。 M* および Y* プロットに見られるように、Rg と Rgb は温度に依存します。

(a) NY9h および (b) NY15h セラミックのさまざまな温度における Y'' の周波数依存性。

図 10 に示すように、Rgb と Rg の変動はすべてのサンプルについてアレニウスの法則に従いました。 Eg と Egb の値は、直線的に近似された曲線の傾きから推定できます。例えば、NY9h および NY15h セラミックの値は、それぞれ 0.114 および 0.104 eV でした。 Eg と Ea の変化のパターンは NY9h セラミックと NY15h セラミックで類似しており、これら 2 つのサンプルの粒子内部の電気的応答を示しています。 NY9h および NY15h セラミックのアレニウス方程式から計算された Egb 値は、それぞれ 0.707 および 0.674 eV でした。 Eg と Egb の値の差が 0.5 eV を超える場合は、半導体成分と絶縁成分を含む不均一な微細構造を示します。この観察は、誘電体の IBLC モデルと非常に似ています 35。 NY9h および NY15h セラミックの Egb および Rgb 値は、低周波の Tanδ 値と一致しています。

NY9h および NY15h セラミックの Rg (白抜き記号) と Rgb (黒塗り記号) のアレニウスプロット。

この研究では、遷移イオンの電子構造も調査されました。 XPS 技術を使用して、Cu イオンと Ti イオンの価数状態を徹底的に調べました。 XPS Cu2p スペクトルは 926 ～ 969 eV の結合エネルギー (BE) 範囲で得られましたが、XPS Ti2p スペクトルは 448 ～ 469 eV の BE 範囲で記録されました。図 11 は、XPS の Cu2p および Ti2p スペクトルを示しています。図３および図４に示すように、Cu2p3/2 ピークには重複したピークが見られます。 11aとb。主要なピークは、NY9h および NY15h サンプルのそれぞれ〜933.88 および〜933.69 eV の BE 位置で見つかりました。これら 2 つのサンプルの Cu2p3/2 ピーク内の小さなピークが、それぞれ 932.06 および 931.81 eV の BE 位置で見られました。主な Cu2p3/2 ピークと副次的な Cu2p3/2 ピーク間の BE 差は約 1.82 ～ 1.88 eV です。メインピークとマイナーピークは、NY9h 構造と NY15h 構造の両方に Cu2+ と Cu+ が存在することを示しています。 NY9h および NY15h の Cu+/Cu2+ 比は、それぞれ 8.47/91.53 および 26.36/73.64% でした。重なり合うピークは、XPS Ti2p スペクトルにも見られました。 NY9h および NY15h サンプルでは、それぞれ 458.05 eV および 458.26 eV の BE 位置で有意な Ti4+ ピークが検出されました。 NY9h 構造と NY15h 構造では、約 1.83 ～ 1.90 eV の非常に小さな Ti3+ ピークの違いが確認されました。これらのピークは、それぞれ 456.15 および 456.43 eV の BE 位置で観察されました。 Ti3+/Ti4+ 比は、NY9h および NY15h でそれぞれ 2.37/97.63 および 2.69/97.31% でした。 Cu+ および Ti3+ の存在は、以前の文献報告と一致しています 30、34。 NYCTO 格子内の Cu+ と Ti3+ は、構造中に VO が存在することを示しています。電荷バランスにより、格子酸素 (OL) が失われると、Cu イオンと Ti イオンが酸化状態に還元される可能性があります。電荷補償メカニズムの結果として、焼結されたNYCTOセラミックスにおけるn型半導体粒子の生成は、Cu+↔Cu2+とTi3+↔Ti4+の間の電荷キャリアホッピングによるものである可能性があり、粒子内に少量の導電性が生成されます。このセラミック。

(a、b) NY9h および NY15h セラミックの XPS Cu2p スペクトル。 (c、d) これら 2 つのサンプルの XPS Ti2p スペクトル。

表 2 によれば、NY9h セラミックスと NY15h セラミックスの両方の ɑ 値は CCTO28 の値よりも低くなります。これは、Ca や Cu と比較した Na と Y の両方のサイズの違いによるものです。 Shannon36 および Tkach ら 37 の実験的研究によると、9 配位数を持つ Y3+、12 配位数を持つ Ca2+、および 6 つの最近接数を持つ Cu2+ の共有結合半径は、それぞれ 1.23 Å、1.48 Å、および 0.87 Å です。 Y ドープ CCTO の場合、以前の実験研究 38,39 で、この構造の格子定数が減少することが明らかになりました。言い換えれば、Y イオンはより大きな共有結合半径を持つ部位を占有する必要があります。 Ca2+ と比較して Y3+ の共有結合半径が小さいため、Y3+ イオンは優先的に Ca サイトを占有します。

次に、CCTO ホスト内の Na の占有部位を決定します。上で議論したように、Ca サイトでの Y3+ の置換は格子定数の減少につながります。表 2 から、NY9h および NY15h サンプルの格子パラメータは真性 CCTO の格子パラメータよりも小さいことがわかります。 Na+ がより大きな共有結合半径を持つサイト、つまり Ca2+ サイトを占有することは不可能です。格子定数が減少し、その結果格子定数が大幅に減少するためであり、これは我々の XRD 測定と矛盾します。したがって、Na+ は共有結合半径が小さい部位を占有する必要があります。 Na+ と Cu2+ の 6 つの最近傍との共有結合半径は、それぞれ 1.16 と 0.87 Å であることがわかりました 36。したがって、Na+ は Cu2+ サイトを占有する可能性があります。この観察は、初期の実験的および理論的研究によって確認されています34、40、41、42。 Li et al.43 によって実証されているように、Ti4+ イオンは酸化状態を Ti3+ に下げることができます。次に、Ti3+ イオンは CCTO 構造内の Cu2+ サイトを占有します。別のペロブスカイトセラミック、具体的には SrCu3Ti4O1244 では、Ti イオンもこの構造内の Cu サイトを占有し、その結果、この格子から Cu イオンが放出されることが判明しました。同様に、私たちの研究では、図3aで明らかなように、NYCTOセラミック内のCu2+サイトはNa+イオンによって占有されており、粒界での過剰なCuの観察につながります。 Cu サイトでの Na 原子の置換は、次の反応で説明されます。

私たちの実験では、Na イオンと Y イオンが Ca サイトを占有するという仮定に基づいて、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 を作製しました。図3aに示されているEDSマッピングは、Cuリッチ相（緑色）がこのセラミックのGB層に明らかに存在していることを示しています。

この観察は、Cu サイトでの Na または Y ドーパントのいずれかの置換に関連していました。以前の結果に基づくと、Na イオンと Y イオンはそれぞれ Cu サイトと Ca サイトを占め、計算に使用された NYCTO の化学式は Na2Y2Cu4Ti8O24 です。 3 つの可能な構成、つまり図 12 の構造 I ～ III が、この NYCTO セラミックの最も安定な構造を決定すると考えられます。図 12 に示すように、構造 III は総エネルギーが最も低く、最も安定しています。また、今回の研究では、NYCTO と CCTO の間の電子密度の差 (\(\Delta \rho_{A} ({\text{r}})\)) を計算しました。これは次のように計算されます。

ここで、\(\rho_{CCTO} ({\text{r}})\) と \(\rho_{NYCTO} ({\text{r}})\) は、それぞれ CCTO と NYCTO 構造の電子密度を表します。。式から (10) より、 \(\Delta \rho_{A} ({\text{r}}) > 0\) の領域は電子が蓄積された領域に対応します。逆に、電子の枯渇は、負の \(\Delta \rho_{A} ({\text{r}})\) の値を持つ領域で発生します。正および負の \(\Delta \rho_{A} ({\text{r}})\) 値を持つ領域をそれぞれ図 13a と図 13b に示します。

CCTO 格子内の Na および Y 原子の 3 つの異なる配置の合計エネルギー。

(a) と (b) は、それぞれ NYCTO と CCTO の間の (100) 面の正と負の電子密度の差です。

図 13a では、Y 原子 (緑色のボール) 上の電子密度が実際に高くなります。したがって、Y イオン上に電子が蓄積され、正に帯電した Y イオンが減少します。図 13b では、電子欠乏領域は Na 原子 (黄色のボール) でのみ見られます。これにより、NYCTO の Na の価数状態がより正になります。電子密度の計算に基づくと、Y 原子の正性は低くなり、Na の価数状態はより正になります。したがって、Na と Y の両方が CCTO 構造に共ドープされると、NYCTO セラミック内の Na と Y の間に電荷補償が存在します。実験的には、Vo は焼結プロセス中に常に観察されます。 NYCTOにおけるVoの最も安定したポジションを明確にする必要がある。初期構造として図１２に示される構造ＩＩＩを使用すると、このホスト内のＶｏの可能な３つの位置のみが考慮される。構造 A では、Vo は Na イオンと Y イオンの間に位置します。 Na 原子と Cu 原子の間に Vo を配置することは構造 B として示されています。構造 C では、Vo は Y に近接しています。これら 3 つの構造に対応する総エネルギーは図 14 に示されています。総エネルギーの結果に基づいて、次のことがわかりました。構造 B の総エネルギーが最も低く、次に構造 C、構造 A の順です。したがって、Vo は NYCTO ホストの Na 原子と Cu 原子の間にある可能性があります。図１４に示すように、ＮＹＣＴＯ中のＮａ原子およびＣｕ原子が、高温での焼結プロセス中にＶｏを優先的に誘発する可能性があることを示唆するのは合理的である。この構造では、Vo も Ti 原子のすぐ近くにあることがわかりました。この観察は、サンプル中の Cu+ と Ti3+ に関連している可能性があります。

構造 C の総エネルギーと比較した、NYTO 格子内の酸素空孔のさまざまな位置の総エネルギー。構造 A は、Na イオンと Y イオンの間に酸素空孔を持つ構造です。構造 B では、酸素空孔が NYCTO 構造の Na と Cu の両方と結合しています。 Vo は構造 C でラベル付けされた Y に近いです。

NYCTO セラミック中の Cu+ と Ti3+ の起源を調べるために、Vo を含む場合と含まない NYCTO の電子密度の差 (\(\Delta \rho_{B} ({\text{r}})\)) を測定しました。 \(\Delta \rho_{B} ({\text{r}})\) の値は、次の式を使用して評価できます。

\(\rho_{NYCTO + V_o} ({\text{r}})\) は、図 14 に示す構造 B の電子密度です。計算された \(\Delta \rho_{B} ({\text {r}})\) を図 15 に示します。この図では、\(\Delta \rho_{B} ({\text{r}})\) の値を、 NYCTO+Vo構成。図 15 から、Cu (濃い青色のボール) と Ti (水色のボール) 上の電子密度は \(\Delta \rho_{B} ({\text{r}})\ に正の値を与えることがわかります。 ) ただし、Na と Y の電子密度は変化しません。したがって、Cu2+ と Ti4+ はそれぞれ Cu+ と Ti3+ に還元される必要があります。言い換えれば、XPS 測定で観察された Cu+ および Ti3+ イオン (図 11) は、NYCTO 格子内の Vo に由来します。

面I～IIIの3つの面の酸素欠損のあるNYCTOとないNYCTOの電子密度の差。

一般に、Vo を含む酸化物の導電率が小さいのは、同様のイオン間の電荷ホッピングに起因すると考えられます。さらに、Subramanian らによって報告されているように、CaCu3Ti4O12 などの関連する NYCTO 構造では、温度が上昇しても相転移は起こりません。したがって、この場合、強誘電効果は無視できます。 NYCTO セラミックの場合、Cu+↔Cu2+ と Ti3+↔Ti4+ の間の電子ホッピングによる小さな導電率 (粒子内) が、この材料の巨大な誘電応答において重要な役割を果たしている可能性があります。以前の研究によれば、誘電応答の変動は、セラミック格子への金属イオンドーピング 34,42 またはさまざまな雰囲気でのアニーリング 45 によって制御できます。

これらの条件は Vo の形成を誘発する可能性があります。したがって、NYCTO セラミックスで巨大な誘電応答を生成するには、格子内での Vo の形成が重要であると示唆するのは合理的です。この発見は、IBLC 効果が NYCTO セラミックの誘電応答の主な原因であるという仮説を裏付けています。

修正されたゾルゲル法を使用して製造された焼結 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックはどちらも CaCu3Ti4O12 一次構造を含みます。低温で焼結することにより、巨大な誘電特性が得られました。 1050 °C で 9 時間および 15 時間焼結した Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックは、0.04 未満の低い損失正接で 1.37 ～ 1.99×104 という非常に高い誘電率を与えます。 DFT 調査によると、Na イオンは Cu サイトを占有する可能性が高く、Ca サイトは Y イオンをホストします。関連する Cu 相、特に CuO は、Cu サイトでの Na イオンの置換により粒界近くで発見されました。これらの関連する Cu 相が高抵抗の層として形成されると、粒界応答が強化されます。その結果、これらのセラミックの電気的性能が向上します。電子密度計算に基づいて、Na 電荷の傾向が Y 電荷の傾向と逆であり、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 では電荷補償機構が生じていることがわかりました。さらに、サンプル内の Cu+ および Ti3+ 状態は、格子内の酸素空孔の存在によるものです。最後に、内部バリア層コンデンサが、これらのセラミックにおける巨大な誘電反応の主な原因である可能性があります。

C2H3O2Na (Sigma-Aldrich、純度 99.995%)、C6H9O6Y・H2O (Sigma-Aldrich、純度 99.9%)、C4H6CuO4・H2O (Sigma-Aldrich、純度 99.0%)、C16H28O6Ti (Aldrich、イソプロパノール中 75 wt.%) 、C6H8O7 ⋅H2O (RCL Labscan、純度 99.5%)、C2H6O2 (QRëC、純度 99.5%)、C2H5OH (RCL Labscan、純度 99.5%)、および脱イオン水は、Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 の調製プロセスで使用される原料です。改良されたゾルゲル技術による。ゲルの調製から始まり、焼成前の混合前駆体で終わる合成の詳細は、以前に報告されています46。得られた粉末を空気中900℃で12時間焼成した後、乳鉢と乳棒で粉砕して微細な焼成粉末を得た。 200 MPa の一軸圧縮下で、NYCTO 粉末を直径 9.5 mm、厚さ 2 mm の未焼成体に成形しました。 NYCTO 粉末のグリーンボディを、空気中で 1050 °C で 9 時間 (NY9h) および 15 時間 (NY15h) 焼結しました。今回の焼結温度は通常の固相反応法よりも約50℃低い。焼結プロセス中の加熱速度は 5 °C/分です。炉を停止すると、材料は自然冷却によって室温まで冷却されます。

X線回折装置(XRD、PANalytical、EMPYREAN)を使用して、焼結材料の相組成および結晶構造を調べました。ＸＲＤデータ収集に利用された２θ範囲は２０から８０°であった。 XRD データ収集には、0.01 度/ポイントのステップ増分が使用されました。リートベルト精密化法を使用して XRD データを分析しました。ゼロシフト、スケールファクター、バックグラウンド（多項式関数タイプによる）、プロファイル半幅パラメータ（v、u、w）、格子パラメータ（a、b、c）、原子サイト占有率（Wyckoff）、優先配向パラメータ、およびサイト占有率 (SOF) は、リートベルト改良における最適化に使用されるパラメーターと係数でした。卓上走査電子顕微鏡 (SEM、SEC、SNE-4500M) を使用して、NY9h および NY15h セラミックの表面微細構造を研究しました。 SEM測定の加速電圧は20 kVでした。バルク微細構造を分析する前に、すべての NYCTO セラミックの断面を、ダイヤモンド研磨パッドを使用して 300 rpm の回転速度で、断面層が滑らかになるまで研磨しました。次に、セラミックを空気中で 1010 °C で 5 分間アニールしました。エネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) モードで動作する電界放射型走査型電子顕微鏡 (FE-SEM、FEI) を利用して、焼結サンプルの元素分布を調べました。相対密度 (D) はアルキメデス法を使用して分析されました。 ImageJ ソフトウェアも粒子サイズとサイズ分布を推定するために使用されました。 X 線光電子分光法 (XPS、AXIS Ultra DLD) を使用して、遷移元素の酸化状態を調査しました。 XPS データは、ガウス - ローレンツプロファイルフィットに基づく MultiPak ソフトウェアを使用して処理されました。

テスト前に、NY9h セラミックと NY15h セラミックの両方を研磨して、きれいで平らな表面を得ました。次に、Polaron SC500 スパッタコータを使用して、これら 2 つのサンプルの両方の平行な表面に、Au を厚さ約 40 nm でコーティングしました。 NY9h および NY15h セラミックの誘電特性は、KEYSIGHT E4990A アナライザーを使用して 0.5 V の発振電圧 (Vrms) で測定されました。誘電特性の安定性は、それぞれ 40 ～ 107 Hz および -60 ～ 210 °C の周波数および温度範囲にわたって調査されました。温度コントローラー (9023 Delta Design Chamber) を使用して、温度を 10 °C ずつ上げながら測定温度を制御しました。非線形 J – E 特性は、プログラム可能な電位計 (Keithley モデル 617) に接続された高電圧測定ユニット (Keithley モデル 247) を使用して、室温 (RT) で評価されました。 J – E 測定では、印加電圧の負荷周波数は 0.95 V/s に設定されています。

NYCTO セラミックスの電子構造と電子密度の計算は、Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)47 を使用して計算されました。この作業で使用される擬ポテンシャルは、プロジェクター拡張波技術に基づいています。交換相関ポテンシャルの Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 形式 48 が使用されました。 Cu、Ti、および O の原子価状態は、公開されている文献 42 から得られました。 Na の価数状態は 2s、2p、3s です。さらに、Y の価数状態として 4s、4p、5s、4d を選択しました。全エネルギー収束試験によれば、650 eV の平面波カットオフエネルギーと逆空間の 7×7×7 k 点サンプリングが観測されました。共役勾配技術を使用して、NYCTO 構造を緩和しました。

この研究のデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

Peng, H. et al. (Ag+、Ta5+) 共ドープ TiO2 セラミックにおける広い温度安定性範囲と優れた誘電性能を同時に実現します。 J. アロイズ Compd. 783、423–427。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.12.321 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, X. et al. MgO 改質 CaCu3Ti4O12 セラミックの電気的性能が向上しました。物理学。 B 572、98–104。 https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.07.048 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Hu、B.ら。 (Nb5+、Lu3+) 共ドープ TiO2 セラミックの広い温度範囲における高い誘電性能。メーター。レット。 271、127838。https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127838 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

リン、H.ら。微粒子サイズの CaCu3Ti4O12 材料の高誘電性能の起源。 J.ユーロ。セラム。社会 40、1957 ～ 1966 年。 https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.12.042 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

マオ、P.ら。界面工学によるしわ構造を備えた鉛フリー CaCu3Ti4O12-SrTiO3 系の優れたコンデンサーバリスタ特性。 ACSアプリ。メーター。内部。 12、48781–48793。 https://doi.org/10.1021/acsami.0c13067 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Chinnathambi, M.、Sakthasabarimoorthi, A.、Jose, M. & Robert, R. 簡単なゾルゲル技術で合成された CCTO の誘電特性および電気特性に対するネオジムドーピングの影響。 J. メーター。科学。 32、9194–9207。 https://doi.org/10.1007/s10854-021-05585-3 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, Y.、Qiao, Y.、Li, Y.、He, J. & Zeng, H. ゾルゲル由来の前駆体の高速レーザー焼結によって合成された、Zn ドープのチタン酸カルシウム銅。ナノマテリアル 10、1163 (2020)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

ワン、W.ら。 CaCu3Ti4O12セラミックのグリーンゲル鋳造。 J. メーター。理系電子。 31、5360–5367。 https://doi.org/10.1007/s10854-020-03096-1 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Liu, Z. & Yang, Z. ゾルゲル技術による Li0.5La0.5Cu3Ti4O12 セラミックの高誘電率、低誘電損失、およびインピーダンス特性。Ｊ．エレクトロン．メーター。 48、5333–5341。 https://doi.org/10.1007/s11664-019-07344-x (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

マオ、P.ら。ゾルゲルプロセスによって調製されたCaCu3Ti4O12セラミックスの誘電特性および非オーム特性に対する粒径の影響。 J. 合金組成 778、625–632。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.200 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

マオ、P.ら。ゾルゲル法および放電プラズマ焼結法による CaCu3Ti4O12 セラミックスの迅速な製造と電気的特性の向上。 J. メーター。理系電子。 30、13401–13411。 https://doi.org/10.1007/s10854-019-01708-z (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、J.ら。アンモニアによって調整されたさまざまな pH 値が、ゾルゲル法によって調製された CaCu3Ti4O12 セラミックの誘電特性に及ぼす影響。 J. 合金組成 779、255–260。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.244 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

キム、J.ら。 LiおよびTiをドープしたNiOの巨大誘電率の赤外線研究。物理学。 Rev. B 70、172106。https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.172106 (2004)。

記事 ADS CAS Google Scholar

モールソン、AJ & ハーバート、JM エレクトロセラミックス第 2 版（ワイリー、2003）。

Google Scholar を予約する

Maleki Shahraki, M.、Golmohammad, M.、Chermahini, MD、Mahmoudi, P. & Moghadam, HA (Cr、Nb) 共ドープ SnO2 セラミックの安定した高誘電特性。メーター。化学。物理学。 246、122843。https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.122843 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Peng、Z.ら。 CdCu3Ti4O12セラミックにおける高エネルギー貯蔵を誘導する粒子工学。セラム。内部。 46、14425–14430。 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.02.239 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, X. et al. Zn ドープ Y2/3Cu3Ti4O12 セラミックの破壊電界が大幅に強化されました。 J. 合金組成 778、391–397。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.104 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Jumpatam、J. et al. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの粒子および粒界の非オーミック特性と電気的応答。混雑する。セラム。社会 100、157–166。 https://doi.org/10.1111/jace.14473 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Kotb、HM、Ahmad、MM、Alshoaibi、A.、Khater、HA、Aljaafari、A. ボールミル粉砕と反応焼結によって合成された Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの誘電特性の改善。メーター。解像度 Express 7、026550。https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab73fb (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ahmad, MM および Mahfoz Kotb, H. 機械合成および放電プラズマ焼結によって調製された微粒子 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの巨大な誘電特性。 J. メーター。科学。 26、8939–8948。 https://doi.org/10.1007/s10854-015-3576-0 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Ni, L.、Fu, M. & Zhang, Y. 巨大誘電率 Sm2/3Cu3Ti4O12 セラミックにおける誘電緩和と関連メカニズム。 J. メーター。理系電子。 29、17737–17742。 https://doi.org/10.1007/s10854-018-9880-8 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Jumpatam、J. et al. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12セラミックの巨大誘電特性と電気応答に対するMg2+ドーピングイオンの影響。セラム。内部。 42、16287–16295。 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.07.167 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Peng、Z.ら。 CdCu3Ti4O12 セラミックの熱安定性と誘電応答を引き起こす界面効果。固体イオン。 348、115290。https://doi.org/10.1016/j.ssi.2020.115290 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao、L.ら。コンデンサ用途における界面分極による Ba0.5Sr0.5TiO3/CaCu3Ti4O12 多層膜の巨大誘電現象。 J.ユーロ。セラム。社会 39、1116–1121。 https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.039 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Ivanov, MS、Amaral, F.、Khomchenko, VA、Paixão, JA & Costa, LC 走査型プローブ顕微鏡技術による CaCu3Ti4O12 の導電性のマイクロおよびナノスケールのバリア層静電容量機構の研究。 RSC アドバンス 7、40695–40704。 https://doi.org/10.1039/C7RA06385G (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chung, SY、Kim, ID & Kang, SJL ペロブスカイト誘導体のチタン酸カルシウム銅における強力な非線形電流-電圧挙動。ナット。メーター。 3、774–778。 https://doi.org/10.1038/nmat1238 (2004)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Liang, P.、Li, Y.、Zhao, Y.、Wei, L. & Yang, Z. Na0.5Y0.5Cu3Ti4O12 セラミックにおける巨大誘電率と高温誘電異常挙動の起源。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 113、224102。https://doi.org/10.1063/1.4809927 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Subramanian、MA、Li、D.、Duan、N.、Reisner、BA、Sleight、AW ACu3Ti4O12 および ACu3Ti3FeO12 相の誘電率が高い。 J. 固体化学。 151、323–325。 https://doi.org/10.1006/jssc.2000.8703 (2000)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Jansen, E.、Schafer, W.、および Will, G. リートベルト精密化を使用した粉末回折データの解析における R 値。Ｊ．Ａｐｐｌ．クリスタロガー。 27、492–496。 https://doi.org/10.1107/S0021889893012348 (1994)。

記事 CAS Google Scholar

Boonlakhorn、J. et al. ゾルゲル合成 Na1/2Sm1/2Cu3Ti4O12 ペロブスカイトセラミックの高い誘電率と低い損失正接を備えた誘電特性と非線形電気応答。 J.ユーロ。セラム。社会 42、5659–5668。 https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.030 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Boonlakhorn, J.、Nijpanich, S.、Thongbai, P. & Srepusharawoot, P. 修正されたゾルゲルルートによって調製された Y2/3Cu3Ti4O12 セラミックにおける高い誘電率と誘電緩和挙動。セラム。内部。 48、15405–15413。 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.02.074 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Kotb、HM、Khater、HA、Sabre、O. & Ahmad、MM Na0.5Sm0.5Cu3Ti4O12 セラミックの焼結温度、周波数、および温度に依存する誘電特性。資料 14、4805 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, Z.、Jiao, G.、Chao, X. & Yang, Z. ゾルゲル法による Na1/2La1/2Cu3Ti4O12 セラミックスの調製、微細構造、および改善された誘電特性および非線形電気特性。メーター。解像度ブル。 48、4877–4883。 https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.06.056 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Boonlakhorn, J.、Manyam, J.、Krongsuk, S.、Thongbai, P. & Srepusharawoot, P. (Mg2+、Al3+) 共ドープ CaCu3Ti4O12 セラミックにおける損失正接の大幅な低減による誘電特性の向上: DFT および実験的調査。 RSC アドバンス 11、25038–25046。 https://doi.org/10.1039/D1RA02896K (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sinclair、DC、Adams、TB、Morrison、FD & West、AR CaCu3Ti4O12: ワンステップ内部バリア層コンデンサ。応用物理学。レット。 80、2153。https://doi.org/10.1063/1.1463211 (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Shannon, RD ハロゲン化物とカルコゲニドの有効イオン半径と原子間距離の体系的な研究を改訂しました。アクタクリスタログル。 A 32、751–767。 https://doi.org/10.1107/s0567739476001551 (1976)。

記事 ADS Google Scholar

Tkach, A.、Okhay, O.、Almeida, A. & Vilarinho, PM 焼結雰囲気によって調整された Y ドープ SrTiO3 セラミックの巨大な誘電率と高い調整性。アクタ・メーター。 130、249–260。 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.03.051 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

マン、H.ら。 CaCu3Ti4O12薄膜の誘電体およびバリスタ特性に対するYドーピングの影響。Ｊ．エレクトロン．メーター。 49、7379–7385。 https://doi.org/10.1007/s11664-020-08515-x (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ハン、F.ら。 Y2O3グラフトCaCu3Ti4O12セラミックにおける誘電応答メカニズムと高周波誘電損失の抑制。 J. メーター。理系電子。 28、17378–17387。 https://doi.org/10.1007/s10854-017-7671-2 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Thongbai, P.、Meeporn, K.、Yamwong, T. & Maensiri, S. CaCu3Ti4O12 セラミックにおける微細構造、巨大誘電応答および誘電緩和挙動に対する Na ドーピングの極端な影響。メーター。レット。 106、129–132。 https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.05.017 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Boonlakhorn、J. et al. Ca1−xCdxCu3Ti4O12−2yF2yセラミックスの巨大な誘電率、減少した損失正接および微細構造。 RSC アドバンス 11、16396–16403。 https://doi.org/10.1039/D1RA02707G (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Boonlakhorn, J.、Chanlek, N.、Thongbai, P. & Srepusharawoot, P. (Sr2+、Ge4+) 共ドープ CCTO セラミックの誘電応答と構造研究を大幅に強化。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 C 124、20682–20692。 https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c04484 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Li, J.、AW 州 Sleight および MA 州 Subramanian 巨大誘電率材料の結晶における内部抵抗障壁の証拠: CaCu3Ti4O12。ソリッドステートコミュニケーション。 135、260–262。 https://doi.org/10.1016/j.ssc.2005.04.028 (2005)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リー、J.ら。「SrCu3Ti4O12」の欠陥構造におけるCaCu3Ti4O12の巨大な誘電率への手掛かり。化学。メーター。 16、5223–5225。 https://doi.org/10.1021/cm048345u (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Adams, TB、Sinclair, DC & West, AR CaCu3Ti4O12 セラミックの電気特性に対する加工条件の影響。混雑する。セラム。社会 89、3129–3135。 https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01184.x (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Vangchangyia, S. et al. 改良されたゾルゲルプロセスによって調製された純粋な CaCu3Ti4O12 セラミックの非常に低い損失正接と高い誘電率。混雑する。セラム。社会 95、1497–1500。 https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05147.x (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Kresse, G. & Furthmüller, J. 平面波基底関数を使用した、金属と半導体の非経験的な総エネルギー計算の効率。計算します。メーター。科学。 6、15～50。 https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0 (1996)。

記事 CAS Google Scholar

Perdew, JP、Burke, K. & Ernzerhof, M. 一般化された勾配近似が簡単になりました。物理学。レット牧師。 77、3865–3868。 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 (1996)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

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コンケン大学の研究および大学院への経済的支援に感謝いたします。さらに、この研究は、コンケン大学の基礎基金および国立科学研究イノベーション基金 (NSRF) によって支援されました。この研究は、人材および制度開発、研究およびイノベーションのプログラム管理ユニットを通じて NSRF から資金援助を受けています (契約番号: B05F650017)。最後に、このプロジェクトはタイ国立研究評議会 (NRCT) とコンケン大学から助成金番号 N42A650293 で資金提供を受けています。

タクシン大学理学部基礎科学・数学学科、ソンクラーキャンパス、ソンクラー、90000、タイ

ジャクリー・ブーンラコーン

巨大誘電体および計算設計研究グループ (GD–CDR)、コーンケン大学理学部物理学科、コンケン、40002、タイ

プンパツォンスクサングラット、シュリプラジャククロンスク、プラシットトンバイ、ポーンジュクスレプシャラウート

コンケン大学理学部数学学科、コンケン、40002、タイ

ウィーラチャイ・サラコーン

エネルギーのためのナノマテリアル研究イノベーション研究所 (IN-RIE)、コンケン大学、コンケン、40002、タイ

Sriprajak Krongsuk、Prasit Thongbai、Pornjuk Srepusharawoot

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JB、PT、PS: 概念化、方法論、データキュレーション、リソース、検証。 PS、WS、SK: 正式な分析、調査、検証。 JB、PS: 執筆 - レビューと編集。 PS: 資金調達。

ポルノジュク・スレプシャラウートへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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Boonlakhorn, J.、Suksangrat, P.、Sarakorn, W. 他 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 セラミックの巨大誘電特性の計算および実験による研究。 Sci Rep 13、4638 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31879-z

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受信日: 2023 年 1 月 5 日

受理日: 2023 年 3 月 20 日

公開日: 2023 年 3 月 21 日

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