Estudos de fronteira de grão em titanatos

Abstract

Microelectronic devices for communication systems are becoming smaller and, as consequence, materials with better properties are needed. Dielectric ceramics with a high relative permittivity, low dielectric losses and a near-zero temperature coefficient of resonant frequency are the materials requisites for device miniaturization. The greatest difficult is to find a material with optimal values for all requisites and BLT is a titanate with a higher relative permittivity, a near-zero temperature coefficient of resonant frequency and low losses. The sintering atmosphere has influence in the grain boundary characteristics and consequently in the grain size and grain aspect ratio. However, there are no studies of the influence of the sintering atmosphere in the BLT characteristics. In this study, the BLT powder was prepared and bulk ceramics were pressed. Compacts were sintered under nitrogen, oxygen and air between 0 and 10h. Microstructure characterization was performed and the grain size and grains aspect ratio were measured. A higher density and a higher grain size were achieved for samples sintered in oxygen. The aspect ratio increases with the increasing of sintering time for both atmospheres, but is higher for oxygen. A second phase was found in samples sintered in oxygen and nitrogen. A lanthanum titanate is present in samples sintered in oxygen and a barium titanate is present in samples sintered in nitrogen due to the defect chemistry. Relative permittivity, dielectric losses, conductivity and temperature coefficient of relative permittivity were measured. A higher relative permittivity, as the higher conductivity, was achieved in the sample sintered in nitrogen for 0 hours. A temperature coefficient of relative permittivity was calculated at 1 MHz and values around zero were obtained for sintering cycles with more than 30 minutes of dwell time at 1530 ºC.

Dispositivos microelectrónicos para sistemas de comunicação têm-se tornado cada vez mais pequenos e, como consequência, são necessários materiais com melhores propriedades. Os dieléctricos devem apresentar valores elevados para a permitividade relativa, baixas perdas dieléctricas e um coeficiente de temperatura à frequência de ressonância próximo de zero para ser possível reduzir o tamanho dos equipamentos. A maior dificuldade está em encontrar um material com valores óptimos para todos os requisitos em simultâneo e o BLT é um titanato com elevada permitividade relativa, um coeficiente de temperatura à frequência de ressonância próximo de zero e baixas perdas dieléctricas. A atmosfera de sinterização influencia as características das fronteiras de grão e, consequentemente, o tamanho de grão e a razão de aspecto. Contudo, não existem estudos sobre a influência desta variável nas características do BLT. Neste estudo foi preparado pó de BLT e conformadas amostras volúmicas por prensagem. Os compactos de BLT foram sinterizados em atmosferas de azoto, oxigénio e em ar durante tempos variáveis entre 0 e 10 horas. Foi realizada uma caracterização microestrutural e foram medidos parâmetros como o tamanho de grão e a razão de aspecto dos grãos. As amostras sinterizadas em oxigénio apresentaram uma densidade elevada e um tamanho de grão maior do que as amostras sinterizadas em azoto. A razão de aspecto aumenta com o aumento do tempo de sinterização para ambas as atmosferas, mas mostrou-se mais elevada no caso do oxigénio. Foi detectada uma segunda fase em amostras sinterizadas em oxigénio e azoto. Nas amostras sinterizadas em oxigénio está presente titanato de lantânio e nas amostras sinterizadas em azoto está presente titanato de bário, devido à química de defeitos deste material. Foram também medidas a permitividade relativa, as perdas dieléctricas, a condutividade e o coeficiente de temperatura da permitividade relativa. Amostras sinterizadas durante 0 horas em azoto mostraram os valores mais elevados de permitividade relativa e de condutividade. O coeficiente de temperatura da permitividade relativa foi calculado a 1 MHz e obtiveram-se valores próximos de zero para ciclos de sinterização com mais de 30 minutos de patamar a 1530 ºC.