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 Lattice and relaxation mechanisms in doped SrTiO3 ceramics
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/2266

title: Lattice and relaxation mechanisms in doped SrTiO3 ceramics
authors: Correia, Tatiana Maria Pereira
advisors: Vilarinho, Paula Maria Lousada Silveirinha
Almeida, Abílio de Jesus Monteiro
keywords: Ciência dos materiais
Cerâmica ferroeléctrica
Titanato de estrôncio
Polarização
issue date: 2008
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Cerâmicas ferroeléctricas do tipo relaxador têm despertado um renovado interesse científico, devido às suas muitas aplicações em tecnologia: memórias dinâmicas de acesso aleatório, condensadores “bypass”, dispositivos com aplicações na gama das microondas, sensores piroeléctricos de baixa temperatura, etc. Estas aplicações estão associadas a problemas conceptuais, relacionados com a distribuição de agregados polares e suas interacções, e também com o efeito mediador das matrizes em que os agregados estão inseridos. Este trabalho tem como objectivo principal o estudo das propriedades polares de cerâmicas em matrizes altamente polarizáveis. Entre os materiais fortemente polarizáveis, os paraeléctricos quânticos são os que mais se destacam. São muito sensíveis a defeitos, impurezas, tensões e campos eléctricos. Um dos mais interessantes é o paraeléctrico quântico Titanato de Estrôncio (SrTiO3), que apresenta uma transição de fase paraantiferrodistorsiva a ~ 110 K e que para concentrações adequadas de dopantes podem ser induzidos estados ferroeléctricos ou do tipo relaxador, geralmente localizados a baixas temperaturas. Estes estados podem corresponder à activação de novas bandas Raman de primeira ordem, a valores elevados de constante dieléctrica e a diferentes processos de relaxação polares. Assim, este trabalho está focado no estudo comparativo da rede, das propriedades dieléctricas e de relaxação polar em cerâmicas de SrTiO3 dopadas com Ítrio, Lantânio e Manganês, designados pelos sistemas Sr1- 1.5xLaxTiO3 (x=0.0133, 0.0533 and 0.13), Sr1-1.5xYxTiO3 (x=0.005 and 0.01), Sr1- xMnxTiO3 (x=0.01, 0.02 and 0.05) and SrTi1-xMnyO3 (y=0.01 and 0.05). Estes sistemas foram sintetizados pelo método convencional. A sua microestrutura e a estrutura cristalográfica foram analisadas através de difracção de raios X, microscopia electrónica de varrimento e transmissão, assim como por espectroscopia de energia dispersiva. Estudos detalhados de dinâmica de rede e de processos polares foram realizados utilizando as técnicas de espectroscopia Raman e de Correntes Termicamente Estimuladas (CTE), num amplo intervalo de temperaturas variando entre 10 K e a temperatura ambiente. Os resultados experimentais foram analisados através de modelos teóricos e discutidos com base na estequiometria química, características dos iões e a sua localização na rede. Pretende-se, a partir do conjunto de resultados obtidos, compreender melhor as propriedades do Titanato de Estrôncio. Embora, a dinâmica da rede do Sr1- 1.5xLaxTiO3 (x=0.0133, 0.0533 and 0.0833) ter sido já estudada, o efeito da dopagem de Ítrio é ainda desconhecido. No presente estudo, propomos analisar o espectro Raman obtido em ambos os sistemas e diferentes concentrações, com o objectivo de clarificar o comportamento da rede do SrTiO3 aquando a dopagem por iões aliovalentes. Os resultados experimentais indicam que a substituição do ião de Estrôncio por iões de Lantânio e Ítrio, dá origem a novas bandas nos espectros Raman, devido à perda do centro de inversão originado pelo efeito de dopagem do Titanato de Estrôncio. Este facto permite o acesso ao comportamento das bandas activas em infravermelho, sendo assim possível obter informações relativas à existência de estados polares a baixas temperaturas. O amortecimento parcial do modo polar TO1 obtido em todos os sistemas estudados aponta para a ausência de uma fase ferroelétrica a baixas temperaturas, confirmando resultados publicados anteriormente. O desvio da temperatura de transição para-antiferrodistorsiva para temperaturas mais elevadas nos sistemas dopados com Ítrio e Lantânio mostra que Ta é fortemente dependente do factor de tolerância da estrutura. Apesar das mudanças observadas em Ta nos sistemas dopado de SrTiO3, o comportamento em temperatura do modo mole associado à transição de fase antiferrodistorsiva A1g, pode ser descrito em termos de uma lei de potência semelhante à lei utilizada em trabalhos previamente realizados no sistema de SrTiO3 não dopado. Observam-se ainda alguns modos de baixa frequência, que por não poderem ser identificados com nenhum modo da rede, podem efectivamente estar associados a efeitos de desordem originados pela presença dos iões dopantes nestes sistemas. Vários trabalhos focaram-se já no estudo do SrTiO3 dopado, contudo os processos de relaxação polar observados em alguns destes sistemas não foram ainda completamente analisados. Assim, os processos de relaxação polar observados nas cerâmicas de SrTiO3 dopadas com Lantânio,Ítrio e Manganês foram estudados a partir de medidas de Currentes Termicamente Estimuladas (CTE) na gama de temperatura 10-300 K. Os resultados experimentais obtidos foram analisados através de modelos de relaxação dipolar e cargas espaciais, com o objectivo de determinar a natureza dos processos de relaxação. Estes resultados revelam a existência de diferentes processos de relaxação localizados na gama de temperaturas estudada. Com base em resultados previamente publicados, os mecanismos de relaxação detectados por CTE nos sistemas estudados e que ocorrem a baixas temperaturas foram associados a mecanismos de origem dipolar, enquanto que aqueles que se observam a altas temperaturas foram atribuídos à deslocação de cargas espaciais. Os resultados obtidos nos sistemas em que o ião dopante substitui o catião no lugar A ou B da rede apontam para a existência de mecanismos de relaxação polares muito distintos. Considerando apenas os processos de tipo dipolar observados a baixas temperaturas, foi possível identificar os correspondentes mecanismos de relaxação e concluir que estes dependem principalmente do raio iónico do ião dopante e do nodo da rede onde a substituição ocorre. Esta técnica (CTE) não convencional tem revelado ser de grande interesse como complemento de resultados previamente obtidos por espectroscopia dieléctrica. Esta dissertação é constituída por quatro principais capítulos. O capítulo 1 inclui uma revisão da literatura sobre materiais relacionados com SrTiO3 e concluí com os objectivos deste trabalho. No capítulo 2 são apresentados resultados referentes à dinâmica da rede dos sistemas Sr1-1.5xLaxTiO3 e Sr1- 1.5xYxTiO3 obtidos por espectroscopia Raman. Ainda neste capítulo, é introduzido o fenómeno da difusão Raman e apresentada um estudo comparativo da transição de fase para-antiferodistorsiva e a natureza paraléctrica quântica destes dois sistemas. Uma técnica distinta foi também utilizada na identificação dos mecanismos de relaxação em cerâmicas de SrTiO3 dopadas: Correntes Termicamente Estimuladas (CTE). No capítulo 3, este método eficaz é descrito e aplicado no estudo das cerâmicas de SrTiO3 dopadas com Lantânio, Ítrio e Manganês. Neste capítulo é desenvolvida uma discussão geral que relaciona estes resultados com os resultados apresentados na literatura. A análise teórica dos resultados experimentais permitirá uma melhor compreensão dos processos de relaxação observados a partir da determinação dos parâmetros característicos, tais como a energia de activação e tempo de relaxação a temperatura infinita. Esta informação proporcionará a identificação dos mecanismos subjacentes ao comportamento de relaxador anteriormente observado. Finalmente, os resultados obtidos serão resumidos no capítulo 4, bem como apresentadas algumas sugestões de trabalho futuro. ABSTRACT: Ferroelectric ceramics and relaxors have awaken a renewed scientific interest, due to their many applications in technology: dynamic random access memories (DRAMs), bypass capacitors, tuneable microwave devices, low temperature pyroelectric sensors, etc. These applications are associated with conceptual problems, which deal with the distribution of polar aggregates and their interactions, and also with the mediator effects of the matrices in which the aggregates are inserted. This work is centred in the study of the properties of polar ceramics in highly polarizable matrices. Among the highly polarizable materials the quantum paraelectrics stand out. Their electrical properties are very sensitive to defects, impurities, stresses, and applied electric fields. One of the most interesting quantum paraelectrics is Strontium Titanate (SrTiO3), which presents a paraantiferrodistortive phase transition at ~110 K and atomic lattice substitutions can induce ferroelectric or relaxor states, commonly located at low temperatures. These may yield the activation of Raman first order bands, high dielectric constant values and distinct polar relaxation processes. Consequently this work is focused on the comparative study of the lattice, dielectric and polar relaxation properties of SrTiO3 ceramics doped with Yttrium, Lanthanum, and Manganese ions, namely Sr1-1.5xLaxTiO3 (x=0.0133, 0.0533 and 0.13), Sr1-1.5xYxTiO3 (x=0.005 and 0.01), Sr1-xMnxTiO3 (x=0.01, 0.02 and 0.05) and SrTi1-xMnyO3 (y=0.01 and 0.05) systems. These systems were synthesised by the conventional mixed oxide method. Their crystallographic and micro structures were analysed through X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, together with energy dispersive spectroscopy methods. Detailed studies of both lattice dynamics and polar relaxations processes have been carried out through Raman and Thermally Stimulated Currents techniques, in a wide interval of temperatures ranging between 10 K and room temperature. The experimental results have been analysed through comprehensive theoretical models, and discussed on the basis of charge and chemical stoichiometry, ion characteristics, and site occupancy. With the ensemble of these results it is expected to provide a better understanding of the physical properties of Strontium Titanate. Although, lattice dynamics of Sr1-1.5xLaxTiO3 (x=0.0133, 0.0533 and 0.0833) have already been reported, the Yttrium doping effect is still unknown. In the present work we propose to analyze Raman spectra for both systems and different concentrations in order to clarify the aliovalent doping behaviour on SrTiO3 lattice. The obtained results show that Lanthanum and Yttrium substitution gives rise to new features in the Raman spectra, due to the loss of the center of inversion originated by doping SrTiO3 ceramics. Those features enable us to have also access to the behavior of infrared active bands, which provides additional information regarding the existence of polar states at low temperatures. The absence of the softening of the TO1 polar mode in all the systems studied supports the non-existence of a ferroelectric phase at low temperatures, which has been reported previously. The shift of the para-antiferrodistortive transition temperature (Ta) towards higher temperatures on both Lanthanum, and Yttrium doped systems clearly evidences that Ta is strongly dependent on the structural tolerance factor. Despite the observed changes in Ta in doped SrTiO3, the temperature behaviour of the antiferrodistortive soft mode A1g can be described in terms of a power law as it has been previously reported for pure SrTiO3. Moreover some low frequency modes, which could not be assigned to other lattice modes, may be apparently associated with disorder effects, stemming from the presence of dopants ions. Although there are several works addressed to the study of doped SrTiO3 systems, the polar relaxation processes observed in some of these systems have not been fully investigated. Therefore, polar relaxation processes in La-, Y- and Mn- doped SrTiO3 ceramics were studied by undertaking Thermally Stimulated Currents (TSC) measurements from room temperature to 10 K. The experimental results were analyzed by using dipolar and space-charge relaxation models in order to determine the nature of the relaxation processes involved. The results reveal the existence of different relaxation processes within the studied range of temperatures. Whereas at low temperatures (18-80 K), relaxation mechanisms of dipolar type were disclosed, space-charge relaxation processes could be identified at higher temperatures (150-300 K) confirming the previous dielectric results. In addition differences in the relaxation processes are observed for different substitute site of the lattice. Regarding dipolar relaxation processes observed at low temperatures, we were able to identify the corresponding mechanisms, which mainly depend on the ionic size, charge and site occupancy. This non conventional technique (TSC technique) has revealed to be a powerful technique to complement the results previously obtained by dielectric spectroscopy. This thesis will comprise four main chapters. Chapter one includes a survey of literature addressing the background of SrTiO3-related materials and concludes with the aims and objectives of this work. Chapter 2 disclose the lattice dynamics of Sr1-1.5xLaxTiO3 and Sr1-1.5xYxTiO3 systems revealed by Raman spectroscopy. Here, Raman diffusion theory is briefly introduced as well as the experimental set-up used in this work. This chapter concludes with a comparison between both systems regarding the para-antiferrodistortive phase transition and quantum paraelectricity features. A different technique was used to identify relaxation mechanisms in doped SrTiO3: Thermally Stimulated Depolarization Currents (TSDC) technique. In Chapter 3, this powerful method is reviewed and applied to La-, Y- and Mn- doped SrTiO3 ceramics. This chapter outlines the general discussion and links the results to the literature survey from the Chapter 1. The theoretical analysis of the experimental data should enable us to gain a better understanding of the relaxation processes through the knowledge of their characteristic parameters such as the activation energy, and relaxation time at infinite temperature. This information will allow determining which mechanisms are underlying the relaxation behaviour previously reported. Finally, a summary of the results obtained for the studied systems is presented in Chapter 4, which ends with a few concluding remarks and directions for further work.
description: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/2266
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