السلوك الكهربي الحديدي لبلورات تيتانات الباريوم ودورها في العازلات عالية التردد

الملخص

تُعد مادة تيتانات الباريوم (BaTiO₃) مادة خزفية أساسية في العازلات الإلكترونية، وهي مادة مقدرة لخصائصها الكهرو-كهربائية حديدية وسماحية عالية. تتناول هذه المقالة كيفية ارتباط تركيبها البلوري، ولا سيما المرحلتين الرباعية والسداسية الأضلاع، بكهربائيتها الحديدية، مع الإشارة بشكل خاص إلى كيفية تأثير ذلك على أدائها في التطبيقات العازلة عالية التردد مثل المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) وأجهزة الموجات الدقيقة. كما يتم تضمين التطورات الحديثة في كهرو كهربائية الحديد في درجات الحرارة المنخفضة لكهرباء الحديد سداسية الشكل BaTiO₃ ودور خصائص البنية النانوية.

مقدمة

حفز الطلب على الأجهزة الإلكترونية المصغرة وعالية الأداء اهتمامًا واسعًا بالسيراميك الكهروحراري، ومن بينها تيتانات الباريوم (BaTiO₃) التي تعد واحدة من أكثر السيراميك دراسةًواستخدامًا تجاريًا. ويُعزى استخدامه في المكثفات والمكثفات الحرارية والمرنانات العازلة إلى ثابت العزل الكهربائي العالي ومقاومة العزل والاستجابة الترددية المواتية. وترتبط جميع هذه الخصائص ارتباطًا مباشرًا ببنية البلورة والانتقالات الطورية، التي تؤثر على آليات الاستقطاب وديناميكيات المجال.

الأطوار البلورية والكهربائية الحديدية في BaTiO₃

--رباعي الأضلاع BaTiO₃: الكهربية الحديدية في درجة حرارة الغرفة

يُعد رباعي الزوايا BaTiO₃، المستقر بين 5 درجات مئوية تقريبًا و120 درجة مئوية، كتابًا مدرسيًا للكهرباء الحديدية. إن إزاحة أيون Ti⁴⁺⁺ خارج المركز داخل الأكسجين الثماني السطوح هو المسؤول عن الاستقطاب التلقائي الذي يبلغ حوالي 26 μC/سم². وتؤدي إعادة توجيه المجال في مجال كهربائي خارجي إلى استجابات كهرضغطية وكهربائية عازلة ضخمة وتجعلها قابلة للتطبيق في مجال التيار المتردد والتردد العالي.

وتتميز بسماحية نسبية (εᵣ) تصل إلى 2000-4000 في درجة حرارة الغرفة وحجم الحبيبات والمواد المخدرة وهي مساهم رئيسي في أداء المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs) عند ترددات تتراوح بين ميغاهيرتز إلى جيجاهرتز.

--سداسي الأضلاع BaTiO₃: مرتبة هيكليًا وخاملة كهربائيًا؟

سداسي الأضلاع BaTiO₃ (h-BaTiO₃)، كما تم تشكيله في ظل ظروف تلبيد محددة أو ملامح مخدرة، هو تقليديًا غير كهربائي غير كهربائي. وهي ذات بنية طبقات مكدسة على عكس بنية البيروفسكايت ولا تُظهر عادةً استقطابًا تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة.

ومع ذلك، أكدت التحقيقات التجريبية الأخيرة (وانغ وآخرون، 2014) وجود كهربية حديديّة حقيقية تحت درجة حرارة أقل من 74 كلفن تقريبًا، مع استقطاب تلقائي يبلغ ≈2 μC/سم² عند درجة حرارة 5 كلفن.وعلى الرغم من أن هذه النتيجة تقل كثيرًا عن تلك الخاصة ب BaTiO₃ رباعي الزوايا إلا أنها تثبت أن الكهربية الحديديّة في h-BaTiO₃ ممكنة في درجات الحرارة المبردة.

التأثيرات الهيكلية النانوية

--● البلورات النانوية رباعية الزوايا في مصفوفة سداسية الأضلاع

وقد أظهرت تقنيات التوصيف المتقدمة (أي الفحص المجهري لقوة الاستجابة الانضغاطية، والتحليل الطيفي لرامان) أن البلورات رباعية الزوايا النانوية (بحجم يتراوح بين 5 و20 نانومتر تقريبًا) يمكن أن تكون موجودة في المصفوفة السداسية كشوائب ناتجة عن الإجهاد ذات طابع كهرو كهربائي حديدي ضعيف، وهي مسؤولة عن الاستجابات العازلة الخافتة فيما كان يعتبر سابقًا مرحلة غير قطبية.

هذه العناقيد C2 و C3، التي تم التعرف عليها على أنها مثل هذه المجالات النانوية رباعية الزوايا هي المسؤولة عن الاستقطاب الموضعي وهي أمثلة على تفاعل البنية-الخاصية الكهرو-كهربائية على المقياس النانوي. ومع ذلك، يشير الجزء المنخفض من الحجم والتوجه العشوائي إلى أنها لا تساهم بشكل كبير في الخصائص العازلة السائبة، خاصة عند الترددات العالية.

--آثار تصميم المواد

يجب فهم هذا التطور في البنية المجهرية عند معالجة سيراميك BaTiO₃.تعتمد وظيفة العازل الكهربائي عالي التردد على نقاء الطور وكذلك التحكم في حدود الحبيبات لتجنب تكوين أطوار سداسية غير مرغوب فيها أو إجهاد داخلي من شأنه تعطيل تبديل المجال.

التطبيقات في العازلات عالية التردد

--المكثفات الخزفية متعددة الطبقات (MLCCs)

لا تزال مادة BaTiO₃ رباعي الزوايا هي المادة العازلة الأولى للمكثفات الخزفية متعددة الطبقات نظرًا لسماحيتها العالية واستقطابها الجيد. وتستخدم هذه المكثفات في نطاق MHz-GHz وتتطلب مواد يمكنها التعامل مع تغيرات المجال الكهربائي العالية عند الحد الأدنى من فقدان العزل الكهربائي (تان δ منخفض). تخضع الاستجابة عالية التردد لـ:

- حركية جدار المجال

- سرعة تبديل الاستقطاب

- ثبات درجة الحرارة والتردد

يمكن لإضافة المنشطات إلى BaTiO₃ مع المنشطات مثل العناصر الأرضية النادرة (على سبيل المثال، La، Nd) أن يعمل على استقرار الطور الرباعي الزوايا وزيادة تحسين الأداء عالي التردد.

--تطبيقات الميكروويف والتيراهيرتز

كما أن خصائص عازل BaTiO₃ العازلة تجعله مناسبًا أيضًا للمرشحات والمرنانات ومبدلات الطور عند ترددات الموجات الميكروية والموجات المليمترية. وهنا يكون عامل كيو العازل الكهربائي ومعامل درجة الحرارة للسماحية (TCε) في غاية الأهمية، ويمكن هندسة رباعي الأقطاب BaTiO₃ لتلبية هذه المتطلبات من خلال التحكم في نمو الحبيبات وتطعيمها.

الخاتمة

يعتمد استخدام تيتانات الباريوم في العوازل الكهربائية عالية التردد بشكل أساسي على الطور الكهربائي الحديدي وهيكل تيتانات الباريوم. ويبقى الطور رباعي الزوايا الذي يتميز بالاستقطاب القوي ونشاط المجال ضرورياً لتطبيقات المكثفات والموجات الدقيقة. على الرغم من السلوك الكهربائي الحديدي المثير للاهتمام في درجات الحرارة المنخفضة للمرحلة السداسية، إلا أنها تفتقر إلى السلوك العازل المطلوب للاستخدام العملي عالي التردد.

ستعمل هندسة المواد الجارية - معالجة التحكم في الطور ومعالجة البنية النانوية وضبط المنشطات - على تشكيل مستقبل BaTiO₃ في التطبيقات الإلكترونية الجديدة. لمزيد من المعلومات والدعم التقني، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

1. لماذا تتناسب رباعي الزوايا BaTiO₃ رباعي الأقطاب مع التطبيقات العازلة عالية التردد؟

تتميز رباعي الأقطاب BaTiO₃ رباعي الزوايا BaTiO₃ باستقطاب تلقائي عالٍ (~ 26 μC/cm²) وثابت عازل كبير (ε ـ ~ 2000-4000)، مما يسمح بالتبديل السريع للاستقطاب والأداء العالي في أجهزة MLCCs وأجهزة الموجات الدقيقة.

2. لماذا لا يستخدم سداسي BaTiO₃ سداسي الأضلاع في المكثفات؟

إن BaTiO₃ سداسي الأضلاع ليس كهربائيًا حديديًا في درجة حرارة الغرفة وله ثابت عازل منخفض (~ 100-200). وتستبعد هذه القيود استخداماته في تخزين الطاقة أو العزل الكهربائي عالي التردد.

3. هل سداسي الأضلاع BaTiO₃₃ سداسي الأضلاع كهربائي حديدي؟

نعم، ولكن فقط عند درجات حرارة أقل من 74 كلفن تقريبًا. إنه كهربائي حديدي ضعيف (~ 2 μC/cm² عند درجة حرارة منخفضة عند 5 كلفن)، ولكن هذه الخاصية ليست مفيدة لمعظم الأجهزة العملية في الظروف المحيطة.

4. ما هو دور البلورات النانوية في خاصية الكهرباء الحديدية في BaTiO₃؟

تُعد البلورات النانوية رباعية الزوايا (حوالي 5-20 نانومتر) في رباعي البلورات النانوية (حوالي 5-20 نانومتر) في سداسي BaTiO₃ سبب الاستقطاب الموضعي الضعيف. ومع ذلك، فهي لا تلعب دورًا في الأداء العازل الكهربائي السائب.

5. كيف يتم تعديل BaTiO₃ BaTiO₃ للحصول على استجابة أفضل للترددات العالية؟

من خلال التحكم في نقاء الطور وحجم الحبيبات والتخدير (على سبيل المثال، مع العناصر الأرضية النادرة)، يمكن للمصنعين تثبيت الطور الرباعي الزوايا وتعزيز خصائصه العازلة والتردد.

المراجع

1. Wang, Y., Liu, X., & Wang, H. (2019). سيراميك الألومينا المسامية ذات الوظائف الفضية ذات النشاط المضاد للبكتيريا. علوم وهندسة المواد: C, 102, 686-692.

2. Chen, L., Huang, Z., & Zhao, Y. (2020). الألومينا المغلفة بـ TiO₂ المغلفة بالألومينا مع نشاط التحفيز الضوئي والنشاط المضاد للبكتيريا تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية A. Surface & Coatings Technology, 385, 125411.

3. Zhao, J., Zhang, D., & Li, Q. (2021). ترسيب الطبقة الذرية لطلاءات ZnO على الألومينا للتطبيقات المضادة للبكتيريا. مجلة بحوث المواد الطبية الحيوية الجزء ب: المواد الحيوية التطبيقية، 109(2)، 222-229.

4. Wang, Y., Zhang, D., & Scott, J. F. (2014). السلوك الكهربائي الحديدي في تيتانات الباريوم السداسية. Physical Review B, 89(6), 064105.