Investigation of the dielectric properties of the yttrium orthoniobate matrix (YNbO4) under the effects of TiO2 addition

Autor: Abreu, Tallison Oliveira
Přispěvatelé: Sombra, Antônio Sérgio Bezerra
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
instacron:UFC
Popis: Due to technological development in the area of engineering and materials science, advanced ceramics prove to be promising materials, mainly for applications in devices that operate in the microwave (MW) and radiofrequency (RF) range. In this work, the structural characteristics and dielectric properties of the YNbO4 yttrium orthoniobate (YNO) with the addition of TiO2 in the molar proportions of 20, 37, 40, 60 and 80% were studied. The ceramics were prepared using the solid-state reaction method, followed by calcination at a temperature of 1200 ºC. After calcination, these materials were sintered at 1200 °C and the ceramic pieces obtained were characterized in terms of their structure and morphology by X-Ray Diffraction and Scanning Electron Microscopy, respectively. The X-ray Diffraction analysis proves the obtaining of the YNO matrix, as well as the identification of the yttrium and niobium Y(Nb0.5Ti0.5)2O6 (YNT) phase, formed by the addition of TiO2. The morphological study and the analysis of the micrographs revealed that the addition of TiO2 modified the morphology of the materials leading to an increase in the grains and the appearance of pores of varying sizes. Through the pycnometry test it was also observed that the densification of the pieces obtained was around 70%. The study of the dielectric properties of ceramics carried out in the MW range suggests that the composites of the (YNO)1-x - (TiO2)x series have properties for application as a dielectric resonant antenna (DRA). The composition with 37 mol% of TiO2 (YNO63) presented the best antenna parameters with a gain of 5.768 dB, radiation efficiency of 99.39% and a temperature coefficient of resonance frequency close to zero (-8.96 ppm /°C). Such results indicate this material as promising for devices that operate in the microwave range and that require thermal stability. For the results in the RF range, the impedance spectroscopy analyzes reveal that the increase in temperature promotes greater mobility to the load carriers inside the samples. Regarding the results of activation energy (Ea), the addition of TiO2 favored not only the formation of the YNT phase, but also the increase in Ea and with that, there was an increase in the insulating character for all compositions, except for YNO20. In addition, the samples YNO, YNT and YNO63 demonstrated that they can present thermal stability in radiofrequency in the range of 100 kHz to 1 MHz as shown by the analysis of the capacitance temperature coefficient (TCC). Devido ao desenvolvimento tecnológico na área de engenharia e ciência dos materiais, as cerâmicas avançadas demonstram ser materiais promissores, principalmente para aplicações em dispositivos que operam na faixa de micro-ondas (MW) e radiofrequência (RF). Neste trabalho, foram estudadas as características estruturais e propriedades dielétricas do ortoniobato de ítrio YNbO4 (YNO) com adição de TiO2 nas proporções molares de 20, 37, 40, 60 e 80%. O preparo das cerâmicas se deu pelo método de reação em estado sólido, seguido de calcinação na temperatura de 1200 ºC. Após a calcinação, esses materiais foram sinterizados a 1200 °C e as peças cerâmicas obtidas caracterizadas quanto a sua estrutura e morfologia por Difração de Raios X e Microscopia Eletrônica de Varredura, respectivamente. A análise de Difração de Raios X comprova a obtenção da matriz YNO, bem como a identificação da fase titanato de ítrio e nióbio Y(Nb0.5Ti0.5)2O6 (YNT), formada pela adição de TiO2. O estudo morfológico e a análise das micrografias revelaram que a adição de TiO2 modificou a morfologia dos materiais levando a um aumento dos grãos e à aparição de poros de tamanhos variados. Através do ensaio de picnometria observou-se também que a densificação das peças obtidas foi em torno de 70%. O estudo das propriedades dielétricas das cerâmicas realizado na faixa de MW sugerem que os compósitos da série (YNO)1-x – (TiO2)x apresentam propriedades para aplicação como antena ressoadora dielétrica (DRA). A composição com 37% em mol de TiO2 (YNO63) apresentou os melhores parâmetros de antena com ganho de 5,768 dB, eficiência de radiação de 99,39% e um coeficiente de temperatura da frequência de ressonância próximo a zero (-8,96 ppm/°C). Tais resultados indicam este material como promissor para dispositivos que atuam na faixa de micro-ondas e que requerem estabilidade térmica. Para os resultados na faixa de RF, as análises de espectroscopia de impedância revelam que o aumento da temperatura promove uma maior mobilidade aos portadores de carga no interior das amostras. Com relação aos resultados de energia de ativação (Ea), a adição de TiO2 favoreceu não só a formação da fase YNT, mas também o aumento de Ea e com isso, houve o aumento do caráter isolante para todas as composições, com exceção do YNO20. Além disso, as amostras YNO, YNT e YNO63 demonstraram que podem apresentar estabilidade térmica em radiofrequência na faixa de 100 kHz a 1 MHz como mostra a análise do coeficiente de temperatura da capacitância (TCC).
Databáze: OpenAIRE
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