Caracterização dielétrica da titânia co-dopada com cátions trivalentes e tântalo

Abstract

Materiais cerâmicos com permissividade elétrica colossal (acima de 10^3) e baixas perdas dielétricas (tan ? < 1) em amplas faixas de temperatura e frequência tem sido intensamente explorados na última década. A titânia (TiO2) co-dopada com íons tri- e pentavalentes cumpre estes requisitos. Neste trabalho, as propriedades dielétricas de cerâmicas policristalinas de titânia contendo Er3+ ou Pr3+ (cátions doadores) e Ta5+ (cátion receptor) foram estudadas visando determinar a viabilidade de utilização para aplicação na microeletrônica e armazenamento de energia. As composições preparadas foram: (A0,5Ta0,5)0,01Ti0,99O2, com A = Er3+ (ET1) ou Pr3+ (PT1), além das composições (Er0,25Ta0,75)0,01Ti0,99O2 (ET0,25) e (Er0,5Ta0,5)0,01Ti1,09O2 (ET1,09). O objetivo do trabalho foi avaliar as propriedades dielétricas das composições, tendo como base a fórmula ET1 e variando (1) o tipo de cátion doador, (2) a razão entre cátion doador e receptor e (3) a razão entre cátions co-dopantes e cátions da matriz (Ti). As composições foram preparadas por reação em estado sólido com sinterização a 1450 ºC por 2 h. Foram obtidas cerâmicas densas (densidade relativa de ~96%) para todas as composições. A fase tetragonal característica do rutilo foi detectada por difração de raios X em todas as amostras sinterizadas. As composições ET1 e ET1,09 apresentaram também picos de Er2Ti2O7. As propriedades dielétricas foram investigadas por medidas de espectroscopia de impedância entre 5 Hz e 13 MHz e até 200 °C. Todas as composições preparadas apresentaram permissividade elétrica colossal (> 10^4) nesta faixa de temperaturas e frequências, com destaque para PT1, que teve permissividade da ordem de 10^5 em todo intervalo. Os menores valores de perdas dielétricas (tan ?) apresentados por ET0,25, ET1,09 e PT1 ficaram em torno de 0,10 entre 50 e 100 °C e 1 kHz, sendo estes valores sutilmente inferiores aos apresentados por ET1 (tan ? ? 0,15) neste intervalo. De 100 °C em diante, a diferença de perdas dielétricas entre ET1 e as outras composições foi significativa, indicando que as alterações de composição e tipo de co-dopante propostas podem proporcionar materiais mais eficientes energeticamente.