Sol-gel synthesis of V and Ce-doped Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3: structural, dielectric, ferroelectric, and piezoelectric analysis

Abstract

Para compreender o papel da dopagem por cério (Ce = 0, 0.01, and 0.02 mol%) e vanádio (V =0, 0.3, and 0.4 mol%) na estrutura da cerâmica Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 (BCZT) e possíveis efeitos sinergéticos na redução da sua temperatura de sinterização, uma nova e objetiva rota de síntese é proposta. Adicionalmente, os impactos da dopagem por cério e vanádio são determinados. Para realizar esse feito abrangente, são realizadas análises estruturais, microestruturais, dielétricas, ferroelétricas e piezoelétricas. Além disso, estudos de sinterização ajudam a elucidar como esses dopantes podem se tornar ferramentas para melhorar o processamento do BCZT. Fica claro por medidas de difração de raios-X e análise por Rietveld que o método de síntese proposto, após calcinação à 800 oC por 5 horas, é bem-sucedido em produzir amostras de BCZT e BCZT dopado por V e Ce cristalino na estrutura perovskita tetragonal ferroelétrica (P4mm). Sinterização realizada em várias temperaturas, 1250, 1350, and 1450 oC, não induzem nucleação de fases secundárias ou transição de fases. Por estudos de sinterização é possível determinar que V reduz a temperatura de sinterização do BCZT para ao menos 1250 oC, facilitando o processamento. Análise estrutural das amostras sinterizadas, confirmadas por refinamento Rietveld, mostram que Ce e V, considerando o intervalo de composição estudado, ocupam o sítio B na estrutura básica ABX3. Medidas piezoelétricas revelam que todas as amostras têm desempenho insatisfatório, o que pode ser explicado pela microestrutura desenvolvida e observada pelas imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Entretanto, V tem o potencial de melhorar a performance dielétrica quando comparado com BCZT não-dopado. Das análises dielétricas in-situ é determinado que a temperatura Curie (TC) é elevada para 120 oC, um aumento de quase 70% quando comparado com o BCZT puro, enquanto valores de permitividade à temperatura ambiente sofrem grande redução acima de 50% quando a dopagem por vanádio é realizada. Respostas de polarização e deformação mostram que vanádio é também responsável pelo aumento da polarização remanescente e por um comportamento ferroelétrico ?macio? em comparação ao BCZT não-dopado. A resposta de deformação é reduzida quando Ce e V entram na rede do BCZT, o grau depende do dopante e concentração, entretanto, a redução pode ser leve enquanto a temperatura de sinterização é consideravelmente baixa para as amostras dopadas por vanádio. Assim, dopagem por vanádio pode ser uma ferramenta poderosa na facilitação do processamento de BCZT sem comprometer de forma relevante a performance piezoelétrica e permitindo maior estabilidade de térmica e um processo mais amigável para o meio ambiente.

Abstract: To understand the role of cerium (Ce = 0, 0.01, and 0.02 mol%) and vanadium-doping (V =0, 0.3, and 0.4 mol%) in the Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 (BCZT) ceramic structure and possible synergetic effects in reducing the sintering temperature of BCZT, a novel straightforward solgel synthesis route is proposed. Furthermore, the impacts of cerium and vanadium doping are determined. Structural, microstructural, dielectric, ferroelectric, and piezoelectric analysis is performed to realize this comprehensive feat. In addition, sintering studies help elucidate how these dopants can become tools to improve the processing of BCZT. It is clear from X-ray diffraction measurements and Rietveld analysis that the proposed synthesis method, after calcination at 800 oC for 5 hours, is successful in yielding crystalline BCZT and V and Cedoped BCZT samples in the perovskite ferroelectric tetragonal structure (P4mm). Sintering at various temperatures, 1250, 1350, and 1450 oC, does not induce the nucleation of secondary phases or phase transitions. From sintering studies, it is possible to determine that V reduces BCZT?s sintering temperature to at least 1250 oC, facilitating processing. Structural analysis of sintered samples, confirmed by Rietveld refinements, shows that Ce and V occupy the B site in the ABX3 basic structure, considering the composition range studied. Piezoelectric measurements reveal that all samples underperform, which can be explained by the microstructure developed and observed by scanning electron microscopy (SEM) imaging. However, V can potentially improve dielectric performance compared to undoped BCZT. From the in situ dielectric measurements, Curie temperature (TC) is increased to 120 oC, an almost 70% increase compared to undoped BCZT. At the same time, room temperature permittivity values suffer a significant reduction of over 50% when vanadium doping is carried out. Polarization and strain responses show that vanadium is also responsible for increased remanent polarization and a softer ferroelectric behavior than undoped BCZT. Strain response is reduced when Ce and V enter BCZT?s lattice, and the degree depends on dopant concentration; however, the reduction can be mild while the sintering temperature is relatively low for V-doped samples. Thus, vanadium doping can be a powerful tool in facilitating the processing of BCZT without compromising piezoelectric performance, allowing for higher thermal stability and an ecofriendly process.