Influence of the BaTiO3 addition to K0.5Na0.5NbO3 lead-free ceramics on the vacancy-like defect structure and dielectric properties

A study on the induced changes in the vacancy-like defect structure and the dielectric properties of K0.5Na0.5NbO3 ceramics by the addition of different amounts, between 0% and 7%, of BaTiO3 is presented. The samples were prepared by a mechanochemically activated solid-state reaction method. The structural evolution due to the orthorhombic to the tetragonal phase transition of the KNN doped samples was followed using X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The use of positron annihilation lifetime spectroscopy allowed to identify the defect structure at sub-nanometric scale and the nature of the vacancy-like defects generated by the phase transition. The obtained results are discussed considering the lattice symmetry change and the defects structure formed due to the replacement of alkaline and niobium ions by barium and titanium ones. Additionally, changes in the dielectric properties are discussed in terms of the structural modifications of the different KNN-based ceramics involving different kinds of vacancy-like defects.Fil: Prado Espinosa, Fabiola Andrea. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Ramajo, Leandro Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Rubio Marcos, Fernando. Instituto de Cerámica y Vidrio de Madrid; EspañaFil: Macchi, Carlos Jorge. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Materiales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Somoza, A.. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Materiales; ArgentinaFil: Castro, Miriam Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Influence of the sintering temperature on ferroelectric properties of potassium-sodium niobate piezoelectric ceramics

The effect of sintering condition on structure, microstructure, and ferroelectric properties of (K0.44Na0.52Li0.04) (Nb0.86Ta0.10Sb0.04)- O3 (KNL-NTS) has been investigated. Ceramic powders have been synthesized by the solid-state reaction method and sintered at different temperatures (1115°C, 1125°C, and 1140°C). Then, samples were characterized by thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and impedance spectroscopy. Through XRD results, the perovskite structure and small peaks corresponding to a secondary phase were detected. Ceramics processed at the highest temperatures showed higher densities and good piezoelectric properties (d33, Kp, and Kt), particularly specimens sintered at 1125°C presented the highest piezoelectric performance.Fil: Cortés, J. A.. Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho; BrasilFil: Camargo, Javier Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Rachia, M. F.. Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho; BrasilFil: Rubio Marcos, Fernando. Instituto de Cerámica y Vidrio de Madrid; España. Universidad Nebrija; EspañaFil: Ramajo, Leandro Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Castro, Miriam Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Ramírez, M. A.. Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho; Brasi

Experimental evidence of charged domain walls in lead-free ferroelectric ceramics: Light-driven nanodomain switching

The control of ferroelectric domain walls at the nanometric level leads to novel interfacial properties and functionalities. In particular, the comprehension of charged domain walls, CDWs, lies at the frontier of future nanoelectronic research. Whereas many of the effects have been demonstrated for ideal archetypes, such as single crystals, and/or thin films, a similar control of CDWs on polycrystalline ferroelectrics has not been achieved. Here, we unambiguously show the presence of charged domain walls on a lead-free (K,Na)NbO 3 polycrystalline system. The appearance of CDWs is observed in situ by confocal Raman microscopy and second harmonic generation microscopy. CDWs produce an internal strain gradient within each domain. Specifically, the anisotropic strain develops a crucial piece in the ferroelectric domain switching due to the coupling between the polarization of light and the ferroelectric polarization of the nanodomain in the (K,Na)NbO 3 ceramic. This effect leads to the tuning of the ferroelectric domain switching by means of the light polarization angle. Our results will help to understand the relevance of charged domain walls on the ferroelectric domain switching process and may facilitate the development of domain wall nanoelectronics by remote light control utilizing polycrystalline ferroelectricsThis work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under the projects MAT201348009-C4-1-P, MAT2013-43301-R and MAT2016-76106-R, the Spanish National Research Council (CSIC) under the project NANOMIND CSIC 201560E068 and the Comunidad de Madrid under the grant S2013/MIT-274

Modelado y caracterización de cerámicos piezoeléctricos para la recolección de energía en sistemas vibrantes

La cosecha de energía para el abastecimiento eléctrico de sistemas electrónicos de baja potencia usados frecuentemente en el monitoreo de la salud estructural de máquinas y estructuras de gran porte, se impone cada vez más como alternativa al uso de baterías para este fin. En este sentido, contar con materiales piezoeléctricos capaces de generar la energía necesaria y más aún, que su origen sea nacional, se proyecta como línea de investigación de gran interés tecnológico y estratégico. En este trabajo se estudian cerámicos piezoeléctricos conformados en discos y en placas y con distintas composiciones, como solución al problema propuesto. Se estudiaron dos sistemas principales: BNKT por un lado y KNT-NTS por el otro. Ambas composiciones son libres de plomo, un hecho muy favorable dado que el plomo es un agente muy contaminante. Para su caracterización, se las insertó dentro de un sistema resonante mecánico y se las sometió a un barrido en frecuencias mediante un excitador electromagnético, registrándose su respuesta dinámica. Los parámetros físicos más relevantes fueron obtenidos mediante técnicas de identificación inversa usando un modelo analítico previamente desarrollado. De los resultados obtenidos se puede concluir que tanto la composición como la forma poseen influencia en la generación de energía y que el voltaje máximo generado presenta valores aptos para el uso propuesto.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 25Facultad de Ingenierí

Synthesis and characterization of Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-K0.5Na0.5NbO3 ceramics for energy storage applications

Structural, microstructural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of the (0.95-x)Bi0.5Na0.5TiO3–0.05BaTiO3-xK0.5Na0.5NbO3 (BNT-BT-KNN) lead-free ceramics with 0.0 ≤ x ≤ 0.06 were studied. Samples were synthesized through the mechanochemically activated solid-state method and structurally characterized by X-ray diffraction (XRD) and Raman-spectroscopic studies, whereas the microstructure of all samples was analyzed by Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). When KNN concentration and temperature were increased, the transition from a ferroelectric to relaxor state was detected by ferroelectric-loop measurements. Furthermore, the high-energy storage efficiency values at room temperature obtained for samples with x ≥ 0.04 confirm the suitability of these ceramics for energy storage applications.Fil: Prado, A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Camargo, Javier Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Öchsner, P.. Universitat Erlangen-Nuremberg; AlemaniaFil: Ramajo, Leandro Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Castro, Miriam Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Revealing the role of cationic displacement in potassium-sodium niobate lead-free piezoceramics by adding W6+ ions

The effect of the structural modifications induced by the replacement of the B sites with W6+ ions in (K0.44Na0.52Li0.04)[(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)1−xW5x/6]O3 lead free ceramics is investigated. Here we show the coexistence between a tetragonal symmetry (T) and an orthorhombic symmetry (O) in the perovskite structure, which is tuned by varying the doping level. In addition, this polymorphic behaviour is accompanied by the appearance of a secondary phase, which can be detected through XRD and Raman results. A correlation between the presence of both structural features and the W6+ content has been evaluated, and therefore this lead free system reveals a transition from a normal ferroelectric to a ‘relaxor-like’ ferroelectric due to the cation disorder in the perovskite-structure in doped samples. A large diffusivity value (γ) has been attained when the x value reached 0.05 owing to the involved O–T polymorphic phase, as well as due to the appearance of a secondary phase. The experimental proof makes clear that the role of the secondary phase is to capture the alkali ions of the (KNa)NbO3-based system, provoking a cation disorder in the perovskite-structure matrix. The significance of this work lies in evaluating whether such a material can benefit the understanding of (KNa)NbO3-based ceramics and the expansion of their application range.Fil: Ramajo, Leandro Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Castro, Miriam Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: del Campo, A.. Instituto de Ceramica y Vidrio de Madrid; EspañaFil: Fernandez, J.F.. Instituto de Ceramica y Vidrio de Madrid; EspañaFil: Rubio-Marcos, F.. Instituto de Ceramica y Vidrio de Madrid; Españ

UV-response of aluminum-doped zinc oxide transparent films with different microstructures and electrical properties

Pure and aluminum doped-zinc oxide thin films were grown by spray-pyrolysis on glass substrates. The addition of increasing amounts of Al led to significant changes in the microstructure of the films. The texture coefficient of the (002) crystallographic plane was observed to decrease in heavily-doped films. Moreover, films with 10% at. Al showed a rare grain morphology characterized by worm-shaped grains. The presence of Al led to films of lower resistivity when compared to the pure-ZnO film, but the excess of doping agent had an opposed effect. This effect may be due to trap states in the form of ionized impurities and aluminum in interstitial sites. The electrical response of the films to UV light was evaluated, being the undoped films the ones showing the most intense response. The time needed for recovering the original current value after interrupting illumination was also measured and discussed.Fil: Villegas, Edgar A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Ramajo, Leandro Alfredo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Lere, Martin Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Castro, Miriam Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Parra, Rodrigo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin