Novos materiais à base de niobato de bismuto para armazenamento de energia elétrica

Abstract

O desenvolvimento de novos materiais, que permitam a redução das dimensões de componentes eletrónicos, tem sido objeto de investigação. Os cerâmicos dielétricos à base de bismuto têm sido extensivamente estudados com este objetivo, em particular o niobato de bismuto (BiNbO4). A primeira tentativa de melhorar as propriedades elétricas do BiNbO4 ocorreu em 1992, com a adição de óxidos. Este trabalho consiste na melhoria das propriedades dos cerâmicos de niobato de bismuto, usando a substituição de iões de bismuto por iões ferro e európio. Para investigar a inclusão de ferro e európio em cerâmicos de BiNbO4, (Bi1-xFex)NbO4 e (Bi1-yEuy)NbO4, as amostras foram preparadas utilizando o método sol-gel. Como a substituição dos iões de bismuto por iões de ferro foi bem sucedida, compósitos de BiNbO4-FeNbO4 foram preparados pelo método de reação do estado sólido, usando como precursores o BiNbO4 e o FeNbO4 produzidos pelo método sol-gel. A estrutura das amostras preparadas foi estudada por difração de raios X e espectroscopia de Raman e a morfologia por microscopia eletrónica de varrimento. As propriedades dielétricas foram estudadas, na gama das micro-ondas, utilizando o método da cavidade ressonante, e na gama da radiofrequências, com a técnica de espectroscopia de impedância. À frequência de 100 kHz, a amostra que apresenta as propriedades dielétricas mais promissoras pertence ao sistema (Bi1-xFex)NbO4, com x = 0.25, tratada termicamente a 1100 °C, que apresenta os valores de 166, 0.37 e 0.0022 para a constante dielétrica, perdas dielétricas e tangente de perdas, respetivamente. À frequência de 2.7 GHz, é a amostra de BiNbO4, sem qualquer substituição, tratada termicamente a 650 °C, que apresenta as propriedades dielétricas mais vantajosas, com os valores de 5, 0.01 e 0.002 para a constante dielétrica, perdas dielétricas e tangente de perdas, respetivamente. Apesar dos valores da constante dielétrica não serem particularmente elevados, salienta-se o facto das perdas dielétricas manterem valores bastante reduzidos.

The development of new materials, that allow the reduction of size of electronic components, has been in the scope of the researchers. The bismuth-based dielectric ceramics are extensively studied for this propose, in particular the bismuth niobate (BiNbO4). The first attempt to improve the electric properties of BiNbO4 occurred in 1992, with the addition of oxides. This work focus in the improvement of bismuth niobate ceramics using the substitution of bismuth ions by iron and europium ions. To investigate the inclusion of iron and europium in BiNbO4 ceramics, (Bi1-xFex)NbO4 and (Bi1-yEuy)NbO4, samples were prepared using the sol-gel method. Since the substitution of bismuth ions by iron ions was successful, composites of BiNbO4-FeNbO4 were prepared by the solid state reaction method, using as precursors the BiNbO4 and FeNbO4 produced by the sol-gel method. The structure of the prepared samples was studied by X-ray diffraction and Raman spectroscopy and the morphology by scanning electron microscopy. The dielectric properties were studied, in the microwave frequency range, using the resonant cavity method, and in the radio frequency range, with the impedance spectroscopy technique. At the frequency of 100 kHz, the sample with the most promising dielectric properties belongs to the system (Bi1-xFex)NbO4, with x = 0.25, thermally treated at 1100 °C, which has the values of 166, 0.37 and 0.0022 for the dielectric constant, dielectric losses and loss tangent, respectively. At the frequency of 2.7 GHz, it is the sample of BiNbO4, without any substitution, thermally treated at 650 °C, which presents the most advantageous dielectric properties, with values of 5, 0.01 and 0.002 for the dielectric constant, dielectric losses and loss tangent, respectively. Although the values of the dielectric constant are not particularly high, it should be noted that the dielectric losses remain very low.