Efeito da dopagem com Sn4+ nas propriedades multifuncionais de cerâmicas ferroelétricas baseadas em PLZT

Abstract

Neste trabalho foram estudadas as propriedades físicas de cerâmicas ferroelétricas do sistema Pb0,87Ba0,10La0,02(Zr1–xSnxTi0,05)O3 (PBLZST), sintetizadas pela rota de reação em estado sólido, com o objetivo de avaliar os efeitos da concentração de Sn4+ nas propriedades estruturais, microestruturais, dielétricas e ferroelétricas. As análises de difração de raios-X confirmaram a formação da fase perovskita para todas as composições e sugerem a diminuição sistemática do volume da célula unitária com o aumento da concentração de Sn4+, comportamento coerente com a substituição de Zr4+ por um cátion de menor raio iônico. A partir da evolução dos parâmetros de rede e da análise dos perfis de difração, observou-se uma transição clara da simetria cristalina, com composições de baixo teor de Sn apresentando uma estrutura ferroelétrica romboédrica, passando por um regime ortorrômbico intermediário e alcançando a simetria antiferroelétrica tetragonal nas maiores concentrações de Sn4+. A espectroscopia Raman corroborou tal evolução estrutural ao identificar modificações nos modos vibracionais característicos de cada grupo de simetria da estrutura perovskita, em função da concentração de Sn. As análises microestruturais mostraram morfologia homogênea para cada composição e redução não uniforme do tamanho médio de grão com o aumento de Sn4+, indicando influência direta da dopagem nos mecanismos de sinterização. As propriedades dielétricas evidenciaram comportamento típico ferroelétrico, com picos bem definidos da permissividade dielétrica e identificação clara das temperaturas de transição de fases. As propriedades ferroelétricas exibiram forte dependência composicional, destacando-se uma forte diminuição da polarização remanescente e campo coercitivo para as amostras PBLZST–20 e PBLZST–25, associada à estabilização de uma fase antiferroelétrica. Os resultados mostraram que o aumento da concentração de Sn4+ promove alterações estruturais, microestruturais e elétricas significativas, evidenciando a sensibilidade do sistema às mudanças composicionais, incluindo a mudança de simetria cristalina ao longo da série, e contribuindo para o entendimento do comportamento físico de cerâmicas derivadas do sistema PLZT.

In this work, the physical properties were investigated in Pb0,87Ba0,10La0,02(Zr1-xSnxTi0,05)O3 (PBLZST) ferroelectric ceramics, synthesized via the solid-state reaction route, with the aim of evaluating the effects of the Sn⁴⁺ content on the structural, microstructural, dielectric and ferroelectric properties. X-ray diffraction analyses confirmed the formation of the perovskite phase for all the compositions and suggest a systematic decrease in the unit-cell volume with increasing the Sn4+ concentration. Such behavior is consistent with the partial substitution of Zr4+ by a smaller ionic-radius cation. Based on the evolution of lattice parameters and diffraction profile analyses, a clear symmetry transition was observed, with lower Sn content compositions exhibiting a ferroelectric rhombohedral structure, transitioning through an intermediate orthorhombic regime, and reaching the antiferroelectric tetragonal symmetry at higher Sn4+ concentrations. Raman spectroscopy corroborated this evolution by identifying modifications in the vibrational mode’s characteristic of each symmetry group of the perovskite structure. Microstructural analyses revealed homogeneous morphology for each composition and a non-uniform reduction in average grain size with increasing Sn⁴⁺ content, indicating a direct influence of doping on sintering mechanisms. Dielectric measurements evidenced typical ferroelectric behavior, with well-defined permittivity peaks and clear identification of phase transition temperatures. Ferroelectric properties showed strong in both remnant polarization and coercive field for the PBLZST–20 and PBLZST–25 compositions associated with the stabilization of the antiferroelectric phase. The results demonstrated that the increase in the Sn4+ concentration promotes significant structural, microstructural, and electrical changes, highlighting the sensitivity of the system to compositional modifications, including the crystalline symmetry transition along the series, and contributing for the understanding of the physical properties of PLZT-derived ceramics.