Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 세라믹의 거대 유전 특성에 대한 전산 및 실험적 조사

Oct 05, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4638(2023) 이 기사 인용

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수정된 졸-겔 방법을 사용하여 유전율이 높은 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 세라믹을 성공적으로 생산했습니다. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 세라믹의 유전율은 실온 및 1kHz에서 104보다 큰 값에 도달합니다. 더욱이, 이들 세라믹은 넓은 온도 범위에 걸쳐 열적으로 유도된 두 가지 별개의 유전 완화를 나타냅니다. 손실 탄젠트는 ~0.032–0.035로 실제로 작습니다. 저온에서는 유전 완화가 산소 결손 효과에 기인한 반면, 고온에서는 결정립계 및 시료-전극 접촉 효과에 기인한 것으로 나타났습니다. 우리의 계산에 따르면 Y 및 Na 이온은 각각 Ca 및 Cu 사이트를 차지할 가능성이 높습니다. 그 결과, 다른 Cu 관련 상, 특히 CuO가 결정립 경계에서 관찰되었습니다. 우리의 분석에 따르면 Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12의 Na 이온과 Y 이온 사이에 전하 보상이 있습니다. 또한 XPS 연구에서 관찰된 Cu+ 및 Ti3+ 상태는 격자에 산소 결손이 존재하기 때문에 발생합니다. 마지막으로, Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12 세라믹의 엄청난 유전율의 주요 원인은 주로 내부 장벽층 커패시터 효과에서 비롯됩니다.

사람들은 일상생활에서 고성능 전자 기기에 크게 의존하고 있습니다. 따라서 필수 구성 요소에 사용되는 재료의 전자 특성 향상을 시작으로 전자 장치 생산에 이르기까지 수많은 전자 혁신이 개발되었습니다. 가장 자주 표현되는 관점은 장치의 성능을 높이면서 장치의 크기를 줄이려는 욕구입니다1,2,3,4,5. 또 다른 관점은 전자 장치5,6,7,8,9,10,11,12에서 유해 화합물의 사용을 줄여야 한다는 것입니다. 최근에는 첨단 기술 장치, 특히 전력 저장에 사용되는 장치가 광범위하게 논의되었습니다1,2,3,4. 이전에 발표된 연구에 따르면 커패시터의 사용은 임시 전기 저장에 매우 중요하므로 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다1,2,3,4,5. 세라믹 커패시터는 그래픽 카드, RAM(Random Access Memory)13 등 다양한 장치의 필수 구성 요소로 널리 사용됩니다. 재료의 유전 특성은 다양한 응용 분야, 특히 커패시터에 대한 적합성을 결정합니다. 유전 상수(ε')와 유전 손실 탄젠트(tan δ)는 재료의 유전 성능을 나타내는 중요한 매개변수입니다14. 금속 이온 공동 도핑 TiO2, 금속 이온 공동 도핑 SnO2, 도핑되지 않은, 단일 도핑 및 공동 도핑된 ACu3Ti4O12(A=Ca, Cd, Na1/2Y1/2, Sm2/3, Y2/3) 세라믹에 대한 최근 관심 구조적 및 유전적 특성1,2,3,4,5,6,15,16,17,18,19,20,21,22을 조사하는 데 관심이 있는 학계의 관심을 끌었습니다. Na1/2Y1/2Cu3Ti4O12(NYCTO)는 최근 연구된 가장 인기 있는 세라믹 유전체 중 하나입니다18,19,20,22.

NYCTO 세라믹의 경우 가장 눈에 띄는 두 가지 조사 영역은 유전 특성을 향상시키는 것과 거대한 유전 반응의 원인을 조사하는 것입니다18,19,20,22. 일반적으로 NYCTO 세라믹의 높은 ε'은 흥미롭습니다. 내부 장벽층 커패시터(IBLC) 모델에 따르면, NYCTO 및 유사한 세라믹의 높은 ε'의 가장 널리 알려진 원인은 계면 분극입니다23,24. 이는 미세 구조의 이질성 때문입니다. 첨단 기술 방법을 통해 NYCTO 및 관련 세라믹에 반도체 입자와 절연 입자 경계(GB)가 존재하는 것으로 나타났습니다. IBLC 모델을 기반으로 한 미세한 규모에서 NBLC(나노 규모 장벽층 커패시턴스) 메커니즘과 도메인 경계 영향은 본질적인 결함에서 비롯됩니다. 이는 NYCTO25,26에서 거대한 유전 반응의 기원인 것으로 밝혀졌습니다. 우리의 이전 연구에서는 고체 반응(SSR)을 통해 생산되고 1100°C에서 여러 번 소결된 NYCTO 세라믹이 높은 ε' 값(0.13−2.30×104)과 낮은 tanδ 값(0.030−0.11118)을 달성한 것으로 나타났습니다. Ahmad와 Kotb는 스파크 플라즈마(SP) 소결을 사용하여 소결 온도를 감소시켰다고 보고했습니다. 그들은 975°C에서 10분 동안 소결된 NYCTO 세라믹에서 약 2.49×104의 높은 ε'을 발견했습니다. 그럼에도 불구하고, tanδ는 여전히 매우 높습니다(~3.39)20. 또한 Kotb와 Ahmad는 SSR을 사용하여 생산하고 공기 중에서 1050°C에서 10시간 동안 소결한 NYCTO 세라믹에서 4.50×103의 ε' 값과 0.055의 손실 탄젠트를 얻을 수 있음을 밝혔습니다. SSR 이후, 높은 소결 온도(1100°C)를 사용하여 tanδ가 0.10 미만인 104 이상의 ε' 값을 얻었습니다. 습식 화학 기술, 특히 변형된 졸-겔 기술은 저온 소결을 통해 원하는 특성을 가진 유전체 세라믹을 생산하기 위한 실행 가능한 제조 방법으로 제안되었습니다6,9,10,12. 습식 화학적 방법을 통해 생산된 ACu3Ti4O12 세라믹의 유전 특성은 광범위하게 문서화되어 있지만6,7,8,9,10,11,12, NYCTO에는 발표된 적이 없습니다. 몇몇 NYCTO 연구에서는 SEM 이미지18,20,27에서 추가 상의 사소한 분해가 관찰되었습니다. 그러나 XRD는 이를 식별할 수 없습니다. 이러한 단계는 NYCTO에서 낮은 tanδ 값으로 높은 ε' 값을 생성할 수 있습니다. 결과적으로 NYCTO를 제조하려면 변형된 졸-겔 방법을 사용해야 합니다. NYCTO 세라믹에 대한 조사가 광범위하게 보고되었지만 실험 결과만 제시되었습니다. 이 세라믹의 전기 및 유전 특성에 대한 통찰력을 얻으려면 밀도 함수 이론(DFT)을 기반으로 한 실험적 방법과 계산 방법을 결합하는 것이 합리적입니다.