Propriedades eléctricas de vidros com alguns iões de terras raras

Abstract

Embora a tecnologia do vidro tenha tido um significativo desenvolvimento nas últimas décadas, a compreensão da estrutura desordenada está ainda longe de ser clara. Alguns avanços têm sido conseguidos, mediante a utilização de técnicas de ressonância e de difracção, mas cada vez mais se revelam as potencialidades que proporcionam a medição de propriedades macroscópicas. Pretende-se com este trabalho estudar o efeito da introdução de diferentes iões de terras raras, como Gd, Nd, Eu e Dy, em vidros de borato e silicato de chumbo, a partir da medição de propriedades eléctricas, como a condutividade, a permitividade e a relaxação dieléctrica. A confirmação de estarmos na presença de uma estrutura amorfa foi efectuada com difracção de raios-X. No sentido de obter informações a partir da resposta dieléctrica, foram efectuadas medições de permitividade complexa, entre 20 mHz e 10 GHz, numa gama de temperaturas entre 12 K e 350 K, às quais se juntaram medições da resposta a um degrau de tensão e de condutividade em corrente contínua. Os dados foram analisados segundo vários modelos, consoante a zona de frequência de estudo. Assim, no domínio temporal, correspondente a baixas frequências, usou-se a função de Kohlraush-Williams-Watts, enquanto que no domínio da frequência se utilizaram as funções de Von Schweidler e de ColeDavidson. Foram então identificados dois mecanismos de relaxação separados por cerca de dez décadas de frequência. A relativa insensibilidade dos parâmetros de relaxação a baixa frequência à concentração e tipo de ião permite inferir da importância do vidro base neste processo de relaxação. Por outro lado, o mecanismo de relaxação a alta frequência é dependente da natureza do ião introduzido. Ambas as relaxações se identificam como sendo do tipo não-Debye. As medições de permitividade complexa em função da temperatura deram um contributo importante para identificar um fenómeno de agregação a baixas concentrações de óxido de terra rara incluído na matriz vítrea. O comportamento da permitividade com a concentração é semelhante para todos os sistemas estudados. A um inicial aumento de E' e EU até uma concentração crítica, segue-se um decréscimo para concentrações mais elevadas. No entanto aquele ponto é dependente do vidro base e ião de terra rara. Finalmente dão-se algumas pistas no sentido de se promover uma ligação entre os parâmetros de relaxação calculados e as características físicas dos sistemas.

Despite the fact that the technology of glass has seen a great development in the last decades, the understanding of the disordered structure is far from clear. Some progress has been made, with techniques of ressonance and diffraction, but, more and more, the advantages of measurements of microscopic properties has been noted. With this work we intend to study the effect of introducing different rare earth ions, Gd, Nd, Eu and Dy, in lead borate and lead silicate glasses, with the measurement of electrical properties; conductivity, permitivity and dielectric relaxation. Confirmation ofthe amorphous structure was done by X-ray diffraction. In order to obtain information from dielectric response, we made measurements of the complex permitivity, between 20 mHz and 10 GHz, at temperatures between 12 K and 350 K, combined with pulsed field and d.c. conductivity measurements. Data was analysed with different models, dependent on the frequency of interest. In the time domain,· corresponding to low frequencies, we used the Kohlraush-Williams-Watts function, whereas in the frequency domain we used the Von Schweidler and Cole-Davidson functions. We identified two relaxation processes separated by ten decades of frequency. The relative insensivity of the low frequency relaxation parameters to the concentration and type of ion permits us to infer the role of base glass in this relaxation mechanism. On the other hand the high frequency relaxation process is dependent on the nature of ion. Both relaxation processes were classified as non-Debye type. Complex permitivity measurements as a function of temperature contributed to the identification of a phenomena of aggregation at low concentrations of rare earth oxide included in the matrix. The behaviour of permitivity with concentration is similar for all the systems studied. There is an inicial growth of E'and EU up to a criticaI concentration of rare earth ion, followed by a decrease for higher concentrations. This criticaI concentration depends upon the base glass and the rare earthion Finally, we give some ideas in order to find a connection between the relaxation parameters and the physical properties of the system.