Estudos de sinterização de cerâmicos de titanato de estrôncio não estequiométrico

Abstract

O titanato de estrôncio (ST) é um material com potencial interesse para aplicações em microelectrónica, nomeadamente dispositivos sintonizáveis na gama de frequências das microondas, devido à sua resposta dieléctrica sintonizável e baixas perdas. As propriedades eléctricas requeridas para este tipo de aplicações são fortemente dependentes das características das fronteiras de grão e influenciadas directamente pelo tamanho de gão e pela sua distribuição. O efeito de dopantes nas propriedades eléctricas do ST é razoavelmente conhecido, mas a influência dos defeitos da rede, bem como da relação Sr/Ti ou da deficiência de oxigênio, na cinética de sinterização e na relação com as propriedades eléctricas, ainda não é suficientemente compreendida. Neste estudo, o efeito da não estequiometria (Sr/Ti de 0.997 a 1.02) na densificação e no crescimento de grão de cerâmicos de ST foi abordado sistematicamente. Foram preparadas composições com razões Sr/Ti de 0.997 a 1.02. A cinética de densificação foi estudada através da análise dilatométrica. Difracção de raios-X (DRX) e microscopias electrónicas de varrimento (SEM) e de transmissão (TEM) foram usadas para a caracterização cristalográfica e da microstructura. A incorporação na rede do excesso de TiO2 ou SrO usado nas várias composições parece ter sido predominante. A DRX não detectou segundas fases em qualquer das composições antes e após a sinterização e a variação do parâmetro de rede com a razão Sr/Ti é indicativa de efeitos de solução sólida. A observação em SEM de amostras sinterizadas também não revelou a presença de segundas fases e a observação em TEM é coerente com efeitos de solução sólida predominante am todas as composições. O excesso de Ti aumentou o transporte de matéria durante a sinterização enquanto o excesso de Sr o diminuiu. Foi observado um aumento da velocidade de retracção e do tamanho médio de grão com a diminuição da razão Sr/Ti. Valores de energia de activação próximos foram determinados (534 ≤ Qd ≤ 663 kJ/mol) para o estágio inicial, para todas as composições, e o início da densificação ocorreu a uma temperatura relativamente constante. Assim, os resultados sugerem que o mesmo mecanismo de transporte controla a densificação em todas as composições. A partir das distribuições de tamanho de grão de amostras sinterizadas, foi observada uma alteração do regime de crescimento de grão de anormal (AGG), no caso das composições ricas em Ti e da estequiométrica, para crescimento de grão normal (NGG) no caso da composição rica em Sr, com um tamanho médio de grão significativamente mais reduzido. O papel do excesso de Sr na inibição do crescimento de grão também foi investigado. Energias de activação para o crescimento de grão e expoentes cinéticos foram calculados para a composição estequiométrica e para a rica em Sr. Valores de 365 e 431 kJ/mol para as energias de activação do crescimento de grão e expoentes cinéticos 3 e 4, para as composições estequiométrica e rica em Sr, respectivamente, foram obtidos, estando de acordo com a inibição do crescimento de grão observada no caso da composição rica em Sr. Os resultados, relativamente à densificação e ao crescimento de grão, sugerem que a acomodação do excesso de Ti ou Sr na estrutura da perovsquite do ST induz alterações na química de defeitos do material e que o transporte de matéria durante a sinterização é controlado pelas lacunas de Sr. Uma pequena variação estequiométrica influencia significativamente a cinética de sinterização e a microestrutura resultante dos cerâmicos de ST e, portanto, poderá ser usada para desenhar as propriedades finais do material.

ABSTRACT: Strontium titanate (ST) is a very interesting material for applications in microelectronics, namely tunable microwave devices, due to its tunable dielectric response and low microwave losses. The electrical properties required for this kind of applications are strongly dependent on the characteristics of the grain boundaries and directly influenced by the grain size and grain size distribution. The doping effect on the electrical properties of ST is reasonably known, but the influence of lattice defects, such as Sr/Ti ratio or oxygen deficiency, on the sintering and grain growth kinetics and the relation with the electrical properties is poorly understood. In this study, the effect of nonstoichiometry (Sr/Ti from 0.997 to 1.02) on the densification and grain growth of ST ceramics was systematically addressed. Compositions with Sr/Ti ratios from 0.997 to 1.02 were prepared. The kinetics of densification was studied by dilatometric analysis. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) were used for crystallographic and microstructure characterization. The small excess of both TiO2 and SrO used in the several compositions seems to have been mostly incorporated into the perovskite lattice. XRD revealed no second phases for all compositions before and after sintering and solid solution effects are indicated by a variation of the lattice parameter with the Sr/Ti ratio. SEM observation of sintered samples revealed no second phases and TEM observation is coherent with prevalent solid solution effects for all compositions. Ti excess enhanced the matter transport during sintering whereas Sr excess decreased it. An increase on the shrinkage rate and average grain size was observed with the decrease of the Sr/Ti ratio. Close values of the activation energy (534 ≤ Qd ≤ 663 kJ/mol) were determined for the initial densification of all the compositions, and the onset of densification was observed to occur at a near constant temperature. Therefore, it is suggested that the same mechanism of transport controls the densification of all the compositions. Taking the grain size distributions of sintered samples, the regimen of grain growth was found to change from abnormal grain growth (AGG) for the Ti-rich and stoichiometric compositions to a normal grain growth (NGG) for the Sr-rich one, with a significantly smaller average grain size. The role of Sr excess on the inhibition of the grain growth was also investigated. Grain growth activation energies and kinetic exponents were calculated for the stoichiometric composition and the Sr rich one. Activation energy values for the grain growth of 365 and 431 kJ/mol and kinetic exponents for the grain growth of 3 and 4 for the stoichiometric and the Sr-rich composition, respectively, were obtained, being in agreement with the inhibition of grain growth observed in the case of Sr rich composition. The results, both of densification and grain growth, suggest that the accommodation of the Ti or Sr excess in the perovskite structure of ST induces alterations in the defect chemistry of the material and that the mass transport during sintering is controlled by Sr vacancies. A very small stoichiometric variation has a strong influence on the sintering kinetics and resulting microstructure of ST ceramics and, therefore, may be used to engineer the final properties of the material.