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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4192 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di materiali a costante dielettrica per applicazioni di accumulo di energia è molto richiesto. In questo lavoro sono stati creati il ​​drogaggio di zirconato di piombo e titanato di zirconato di piombo con film sottili di erbio e dispositivi sfusi con costante dielettrica variante. Film sottili di Pb(0,9)-Er0,01Zr(0,09) (PEZ) e Pb0,9-Er0,01-Zr0,045-Ti0,045 (PEZT) sono stati prodotti su un substrato di vetro utilizzando una tecnica racla sol-gel a bassa temperatura. La diffrazione dei raggi X (XRD), la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e la diffrazione elettronica (ED) sono state utilizzate per esaminare la struttura dei nanocristalli prodotti. I film PEZ e PEZT avevano nanocristalli di dimensioni rispettivamente di 9,5 nm e 15 nm, mentre i nano-barre sfusi PEZ e PEZT avevano 455 ± 5 nm di lunghezza e 45 ± 1 nm di diametro. I risultati TEM e XRD sono risultati completamente coerenti in termini di dimensione delle particelle. Si è scoperto che le proprietà ferroelettriche e le caratteristiche dielettriche dipendono dalla frequenza. Gli esperimenti dielettrici hanno rivelato che la costante dielettrica stava diminuendo per i campioni sfusi rispetto ai campioni di pellicola. L’efficienza di accumulo energetico dei film PEZ era di circa il 66,01% e del 67,8% per PEZT. La polarizzazione residua dei film PEZ e PEZT drogati con Er era la più alta, raggiungendo rispettivamente 36,25 μC/cm2 e 69,79 μC/cm2, e i campi coercitivi erano rispettivamente 43 kV/cm e 45,43 kV/cm. D'altra parte, i campioni sfusi PEZ e PEZT avevano polarizzazioni residue di 27,15 μC/cm2 e 37,29 μC/cm2, rispettivamente, pur avendo campi coercitivi di 32,3 kV/cm e 39,3 kV/cm, rispettivamente. È stato riscontrato che i campioni (PEZ) e (PEZT) potrebbero avere un potenziale utilizzo nelle applicazioni di stoccaggio dell'energia.

Negli ultimi anni i ricercatori locali e internazionali hanno prestato molta attenzione alla ricerca e alla preparazione dei film PZT. Secondo Da Chen et al., i film sottili ferroelettrici PZT hanno applicazioni significative che vanno dai sistemi di trasporto e reti elettriche ai dispositivi medici; come i pacemaker artificiali. Grazie alle sue eccezionali caratteristiche dielettriche e ferroelettriche, alla regolazione flessibile della composizione e alla tecnica di preparazione matura, il film sottile di zirconato titanato di piombo (PZT) è stato ampiamente utilizzato nell'optoelettronica e in altri sensori1,2. Sputtering, idrotermale, deposizione laser pulsata, deposizione chimica da vapore e tecniche sol-gel sono i metodi più comuni per produrre film PZT. Inoltre, la tecnica sol-gel è ora la più popolare grazie al suo funzionamento semplice, al basso costo, alla composizione coerente e alla facilità di applicazione del drogaggio degli elementi3,4,5. La maggior parte dei ricercatori si è recentemente concentrata sui materiali PZT con un rapporto Zr/Ti di 52/48. Tuttavia, la modifica del rapporto Zr/Ti utilizzando un’unica tecnica non può soddisfare i requisiti applicativi dei materiali PZT6. Il drogaggio di La, Gd, Nd, Nb e Pr nei film PZT può migliorarne le caratteristiche dielettriche e ferroelettriche7,8,9. La maggior parte della ricerca si è concentrata sulle ceramiche sfuse e sui film sottili antiferroelettrici (AFE)10,11,12,13,14. Ad esempio, i film di (PbZrO3) (PZ) e (PbZrO3TiO2) (PZT) avevano 35,15 J/cm3 e 65,8% per (PZ) e 68,25 J/cm3 e 66,6% per (PZT)1, mentre i film di PbZrO3 (PZ) avevano una densità di accumulo energetico di 16,8 Jcm3 e un'efficienza del 69,2%15. È difficile acquisire materiali ceramici ad alta densità di accumulo di energia e non sono adatti per i condensatori di accumulo di energia reali a causa della bassa resistenza alla rottura (BDS), dell'ampio volume complessivo e dell'incompatibilità con la tecnologia dei semiconduttori16,17. È stato osservato che il drogaggio degli elementi è più efficace nel migliorare le proprietà di accumulo di energia dei materiali AFE rispetto ai film non drogati18,19. I film di PbZrO3 drogati con Sr avevano una densità di accumulo di energia di 14,5 Jcm3, che era maggiore dei 13,3 Jcm3 dei film di PbZrO318. Inoltre, i materiali AFE drogati con La3+ hanno una maggiore stabilità nella fase AFE20, il che è vantaggioso per le prestazioni di accumulo di energia.