Investigação de cerâmicas ferroelétricas livres de chumbo para potenciais aplicações em dispositivos ópticos e eletro-ópticos

Abstract

Cerâmicas ferroelétricas livres de chumbo, denominadas lead-free, vêm sendo cada vez mais estudas devido ao chumbo ser prejudicial à saúde e ao meio ambiente. Dentro desse setor de cerâmicas eletroeletrônicas, há as cerâmicas ferroelétricas transparentes (CFT’s). Estas apresentam um grande interesse tecnológico, tendo em vista as suas aplicações ópticas e eletro-ópticas. Porém, é necessário o controle de diversas variáveis para a produção de CFT’s, por exemplo, o tamanho de grão, para que não haja espalhamento de luz. A fim de atender a esse requisito e outros, o sistema ferroelétrico niobato de sódio e potássio vem se destacando, por possuir estrutura cristalina do tipo perovskita e ter um rico diagrama de fases. A utilização de dopantes, como o lantânio e o itérbio, foi uma das alternativas encontradas para a melhora das propriedades físicas e ópticas nesse sistema. Nesse projeto, foi estudado cerâmicas ferroelétricas a base de (K0,48-x/2 Na0,52-x/2 La x)NbO3 (KLNN), co-dopadas com íons Yb3+ em 1 % em peso, com diferentes tempos de sinterização. A adição do itérbio resultou em altas densidades, atingindo uma densidade relativa de 97,2 % para a amostra com duas horas de sinterização. Além disso, as amostras apresentaram uma microestrutura homogênea, com um tamanho de grão menor para o corpo cerâmico sinterizado por cinco horas. Os difratogramas de raios x foram similares, com estrutura perovskita e união dos picos característicos do KNN puro em torno de 45º, ficando mais definido na composição com 5 horas de sinterização. A constante dielétrica das amostras foi baixa, e foi possível observar transições de fases com picos mais largos, o que contribui para um menor espalhamento da luz. Por fim, a caracterização óptica da amostra com cinco horas de sinterização apresentou uma transmitância de aproximadamente 30 % na região do visível, um resultado satisfatório para aplicações ópticas e eletro-ópticas.

Lead-free ferroelectric ceramics, called lead-free, have been increasingly studied due to lead being harmful to health and the environment. Within this sector of electro-electronic ceramics, there are transparent ferroelectric ceramics (CFT's). These are of great technological interest, in view of their optical and electro-optical applications. However, it is necessary to control several variables for the production of CFT's, for example, the grain size, so that there is no light scattering. In order to meet this requirement and others, the sodium and potassium niobate ferroelectric system has been highlighted, due to its perovskite-type crystalline structure and a rich phase diagram. The use of dopants, such as lanthanum and ytterbium, was one of the alternatives found to improve the physical and optical properties of this system. In this project, ceramics based on (K 0.48-x/2 Na 0.52-x/2 La x)NbO3 (KLNN), co-doped with Yb 3+ ions at 1 % by weight, with different sintering times, were studied. The addition of ytterbium resulted in high densities, reaching a relative density of 97.2 % for the sample after two hours of sintering. Furthermore, the samples showed a homogeneous microstructure, with a smaller grain size for the ceramic body sintered for five hours. The X-ray diffractograms were similar, with a perovskite structure and the union of peaks characteristic of pure KNN around 45º, becoming more defined in the composition after 5 hours of sintering. The dielectric constant of the samples was low, and it was possible to observe phase transitions with wider peaks, which contributes to less light scattering. Finally, the optical characterization of the sample after five hours of sintering showed a transmittance of approximately 30 % in the visible region, a satisfactory result for optical and electro-optical applications.