Niobium oxides and niobates physical properties

Abstract

Niobium oxides have been pointed as an alternative to tantalum in the production of solid electrolytic capacitors, with advantages regarding the dielectric constant, density and price. In this work, it is intended to create a new family of niobium oxides based capacitors, adapting the technology and production line currently used with tantalum. Despite the known potentialities of niobium oxides, and many types of niobates, in several technological applications, the understanding of these oxide systems is still noticeably insufficient. Hence, a careful bibliographic review is shown, which evidences the complexity of these materials, the difficulty in identifying of their different phases and polymorphs, as well as in the interpretation of their properties. In this context, several fundamental studies on niobium oxides are presented, namely structural, microstructural, optical and electrical characterizations, which allow not only to contribute in an important way for the general knowledge of the physical properties of these materials, but also to advance to a sustained development of the niobium oxides based solid electrolytic capacitors. Several processing parameters were studied, clearing the way towards the creation of a prototype. It was also decided to perform a preliminary study on the synthesis and characterization of other oxide systems based in niobium, namely rare-earth orthoniobates (RENbO4), which interest has been related to their optical properties and protonic conductivity. Hence, single and polycrystalline samples of RENbO4 were synthesized and characterized structural, optical and electrically, leaving open an interesting future work.

Os óxidos de nióbio têm sido apontados como uma alternativa ao tântalo na produção de condensadores eletrolíticos sólidos, com vantagens relativamente à constante dielétrica, densidade e preço. Neste trabalho, pretende-se criar uma nova família de condensadores de óxidos de nióbio, adaptando a tecnologia e linha de produção atualmente utilizada com o tântalo. Apesar das já conhecidas potencialidades dos óxidos de nióbio, e vários tipos de niobatos, em diversas aplicações tecnológicas, o conhecimento destes sistemas óxidos é ainda manifestamente insuficiente. Assim, é apresentada uma cuidadosa revisão bibliográfica que evidencia a complexidade destes materiais, as dificuldades na identificação das suas várias fases e polimorfos, assim como na interpretação das suas propriedades. Neste contexto, são apresentados vários estudos fundamentais em óxidos de nióbio, nomeadamente caracterização estrutural, microestrutural, ótica e elétrica, que permitem não só contribuir de uma forma importante para o conhecimento geral das propriedades físicas destes materiais, como avançar para o desenvolvimento sustentado dos condensadores eletrolíticos sólidos à base de óxidos de nióbio. Estudaram-se vários parâmetros de processamento abrindo caminho para a criação de um protótipo. Avançou-se também para um estudo preliminar da síntese e caracterização de outros sistemas óxidos à base de nióbio, nomeadamente ortoniobatos de terras-raras (RENbO4), cujo interesse tem sido manifestado relativamente às suas propriedades óticas e de condutividade protónica. Assim, amostras mono e policristalinas de RENbO4 foram sintetizadas e caracterizadas estrutural, ótica e eletricamente, deixando em aberto um interessante trabalho futuro.