Study of the solid solution Ba1-xSrxTiO3 : synthesis, structural and microstructural characterizations of nanopowders and nanoceramics obtained by SPS sintering : influence of composition and titanium source on the colossal electrical properties
Etude de la solution solide Ba1-xSrxTiO3-δ : synthèses et caractérisations structurales et microstructurales des nanopoudres et des nanocéramiques obtenues par frittage spark plasma sintering : influence de la composition et de la source en titane sur les propriétés électriques colossales
Résumé
Since the beginning of the 21st century, embedded electronic systems are daily used. This technological advance has been made possible by the development of lighter, smaller and more efficient capacitors. To design new applications (energy recovery system, electric actuators...) and to improve existing ones, it is necessary to increase the energy efficiency of these components. The development of ceramic capacitors with perovskite structure showing high permittivity and low losses, attempts to meet this technological challenge. In this context, the synthesis of Ba1-xSrxTiO3 (0 < = x < = 1) nanoparticles by soft-chemistry has been studied. Two titanium precursors (TiOCl2 and TiCl3) have been used and the structural and microstructural studies were conducted on each oxide. The nanostructured ceramics have been elaborated by SPS in order to limit the grain growth. To access a capacitive behavior, these different ceramics have undergone a heat treatment in an oxidizing atmosphere and the electrical properties, depending on the composition and on the precursor, are between 10 3 [10 to the power 3] and 8.10 5 [8.10 to the power 5] for permittivities, associated with losses lower than 5 %. The spectroscopic measurements as a function of temperature have allowed the use of various physical models, such as Debye, UDR, THP and IBLC, to link electrical properties and composition. We have shown that a relationship exists between the capacitive power and the strontium content. A decrease of the electron hopping polarization has been associated with the degradation of the interfaciale polarization between grains and grain boundaries when the strontium content increases. This also leads to a change of the electron hopping conduction mechanism. We have shown that the distances of these jumps, are fixed and confined between nearest neighbors (NNH model) for Sr-rich ceramics, while they are delocalized and extended over a distance of 3 to 4 nm (VRH model) for Ba-rich ceramics. Therefore, the Ba-Sr substitution is an effective experimental lever to control the electrical properties of colossal permittivity materials.
Depuis le début du XXIème siècle, les systèmes électroniques embarqués sont utilisés quotidiennement. Cette avancée technologique a été rendue possible grâce au développement de condensateurs plus petits, légers et performants. Afin de concevoir de nouvelles applications (récupérateurs d'énergie, actionneurs électriques...) et d'améliorer celles existantes, il est nécessaire d'accroître les rendements énergétiques de ces composants. Le développement de condensateurs céramiques à base d'oxyde de structure pérovskite possédant un couple permittivité élevée/perte faible, tente de relever ce challenge technologique. Dans ce contexte, la synthèse de nanoparticules de Ba1-xSrxTiO3 (0 < = x < = 1) par chimie "douce", a été étudié. Deux sources de titane (TiOCl2 et TiCl3) ont été utilisées et les études structurales et microstructurales ont été réalisées sur les différents oxydes obtenus. Les céramiques nanostructurées densifiées ont été élaborées par frittage SPS, technique permettant de limiter la croissance granulaire. Pour obtenir un comportement capacitif, ces différentes céramiques ont subi un traitement thermique en atmosphère oxydante et les propriétés électriques, fonction de la composition et du précurseur, sont comprises entre 10 3 [10 puissance 3] et 8.10 5 [8.10 puissance 5] pour les permittivités, associées à des pertes inférieures à 5%. Les mesures en spectroscopie d'impédance en fonction de la température nous ont permis d'appliquer certains modèles physiques comme, Debye, UDR, THP et IBLC à nos systèmes, afin de relier les propriétés électriques à la composition. Nous avons pu montrer qu'il existe une relation entre pouvoir capacitif et taux de strontium. Une diminution de la polarisation par sauts d'électrons a été associée à une dégradation de la polarisation interfaciale entre les grains et les joints de grains lorsque la teneur en strontium augmente. Cela conduit également à un changement de mécanisme de conduction par sauts d'électrons. Nous avons pu montrer que les distances de ces sauts, fixes et confinées entre plus proches voisins (modèle NNH) pour les céramiques riches en strontium, sont délocalisées et s'étendent sur des distances de 3 à 4 nm (modèle VRH), pour les céramiques riches en baryum. La substitution Ba-Sr s'avère donc être un levier expérimental efficace dans le contrôle des propriétés électriques de matériaux à permittivité colossale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)