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May 30, 2023

Erbium

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4192 (2023) Citer cet article

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Le développement de matériaux à constante diélectrique pour les applications de stockage d'énergie est en forte demande. Le dopage au zirconate de plomb et au titanate de zirconate de plomb avec des couches minces d'erbium et des dispositifs à base de masse avec une constante diélectrique variable ont été créés dans ce travail. Des couches minces de Pb(0.9)-Er0.01Zr(0.09) (PEZ) et Pb0.9-Er0.01-Zr0.045-Ti0.045 (PEZT) ont été produites sur un substrat de verre en utilisant une technique de racle sol-gel à basse température. La diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (TEM) et la diffraction électronique (ED) ont été utilisées pour examiner la structure des nanocristaux produits. Les films PEZ et PEZT avaient des nanocristaux de 9, 5 nm et 15 nm, respectivement, tandis que les nano-tiges en vrac PEZ et PEZT avaient une longueur de 455 ± 5 nm et un diamètre de 45 ± 1 nm. Les résultats TEM et XRD se sont avérés totalement cohérents en termes de taille de particules. Les propriétés ferroélectriques et les caractéristiques diélectriques se sont avérées dépendantes de la fréquence. Des expériences diélectriques ont révélé que la constante diélectrique diminuait pour les échantillons en vrac par rapport aux échantillons de film. L'efficacité de stockage d'énergie des films PEZ était d'environ 66,01% et de 67,8% pour PEZT. La polarisation résiduelle des films PEZ et PEZT dopés à l'Er était la plus élevée, atteignant 36,25 μC/cm2 et 69,79 μC/cm2, respectivement, et les champs coercitifs étaient de 43 kV/cm et 45,43 kV/cm, respectivement. D'autre part, les échantillons en vrac PEZ et PEZT avaient des polarisations résiduelles de 27,15 μC/cm2 et 37,29 μC/cm2, respectivement, tout en ayant des champs coercitifs de 32,3 kV/cm et 39,3 kV/cm, respectivement. Il a été constaté que les échantillons (PEZ) et (PEZT) peuvent avoir une utilisation potentielle dans les applications de stockage d'énergie.

Des chercheurs locaux et internationaux ont accordé une attention particulière à la recherche et à la préparation de films PZT au cours des dernières années. Selon Da Chen et al., les couches minces ferroélectriques PZT ont des applications importantes allant des systèmes de transport et des réseaux électriques aux dispositifs médicaux ; tels que les stimulateurs cardiaques artificiels. En raison de ses caractéristiques diélectriques et ferroélectriques exceptionnelles, de son ajustement de composition flexible et de sa technique de préparation mature, le film mince de titanate de zirconate de plomb (PZT) a été largement utilisé dans l'optoélectronique et d'autres capteurs1,2. La pulvérisation, l'hydrothermie, le dépôt par laser pulsé, le dépôt chimique en phase vapeur et les techniques sol-gel sont les moyens les plus courants de produire des films PZT. De plus, la technique sol-gel est maintenant la plus populaire en raison de sa simplicité d'utilisation, de son faible coût, de sa composition constante et de la facilité d'application du dopage des éléments3,4,5. La plupart des chercheurs se sont récemment concentrés sur les matériaux PZT avec un rapport Zr/Ti de 52/48. Cependant, la modification du rapport Zr/Ti à l'aide d'une seule technique ne peut pas répondre aux exigences d'application des matériaux PZT6. Le dopage de La, Gd, Nd, Nb et Pr dans les films PZT peut améliorer leurs caractéristiques diélectriques et ferroélectriques7,8,9. La majorité des recherches se sont concentrées sur les céramiques massives anti-ferroélectriques (AFE) et les films minces10,11,12,13,14. Par exemple, les films (PbZrO3) (PZ) et (PbZrO3TiO2) (PZT) avaient 35,15 J/cm3 et 65,8 % pour (PZ) et 68,25 J/cm3 et 66,6 %pour (PZT)1, tandis que les films PbZrO3 (PZ) avaient une densité de stockage d'énergie de 16,8 Jcm3 et un rendement de 69,2%15. Les céramiques sont difficiles à acquérir une densité de stockage d'énergie élevée et ne conviennent pas aux condensateurs de stockage d'énergie réels en raison de leur faible résistance au claquage (BDS), de leur grand volume global et de leur incompatibilité avec la technologie des semi-conducteurs16,17. Il a été observé que le dopage des éléments est plus efficace pour améliorer les propriétés de stockage d'énergie des matériaux AFE que les films non dopés18,19. Les films de PbZrO3 dopés au Sr avaient une densité de stockage d'énergie de 14,5 Jcm3, supérieure aux 13,3 Jcm3 des films de PbZrO318. De plus, les matériaux AFE dopés au La3+ ont une plus grande stabilité dans la phase AFE20, ce qui est bénéfique pour les performances de stockage d'énergie.

Cette recherche a été menée dans le but d'améliorer l'application des couches minces (PEZ) et (PEZT) et du vrac dans les applications de stockage d'énergie. Des films minces (PEZ) et (PEZT) dopés en vrac avec des concentrations d'Er de 0, 01% ont été préparés par la technique sol-gel (lame de docteur) pour étudier l'effet du dopage d'Er sur la structure cristalline, les propriétés diélectriques et les propriétés ferroélectriques. La concentration de dopage Er a été ajustée afin d'obtenir les performances globales optimales des films (PEZ) et (PEZT) et du volume pour les caractéristiques diélectriques et ferroélectriques. L'utilisation de film et de vrac améliore la polarisation plus que d'autres échantillons sans Er. Ces résultats jettent les bases du développement de constantes diélectriques performantes sur une large gamme d'applications électroniques.

La technique Sol-Gel a été utilisée pour préparer les échantillons (films minces (racle) et en vrac) à l'étude. Pb(0.9)-Zr(0.09) et Er(0.01) (PEZ) et Pb(0.9)-Er(0.01)-Zr(0.045)-Ti(0.045) (PEZT) des films minces nanocristallins et de la masse ont été préparés, en utilisant du plomb l'oxyde de zirconium (Pb3O4) de haute pureté 99 % (Sigma Aldrich), l'oxyde de zirconium (ZrO2) de pureté 99 % (Sigma Aldrich) et le dioxyde de titane (TiO2) de pureté 98 % ont été sélectionnés comme matières premières. Le nitrate d'erbium trihydraté (Er(NO3)3·3H2O) pur à 99 % (Sigma Aldrich) a été utilisé comme dopant et l'acide acétique (CH3COOH) comme solvant pour l'oxyde de plomb. Les matières premières d'oxyde de plomb (Pb3O4) ont été dissoutes dans de l'acide acétique à 70 ° C sous agitation. Après avoir obtenu une solution pure, elle a été refroidie à température ambiante. L'oxyde de zirconium (ZrO2) a été dissous dans de l'eau distillée à température ambiante sous agitation, puis en augmentant la température à 70 °C et le nitrate d'erbium trihydraté (Er(NO3)3·3H2O) a été dissous dans de l'eau distillée à température ambiante sans agitation. Ces trois solutions ont été mélangées sous agitation à 70 ° C pendant 2 h et vieillies pendant 20 h (Fig. 1). Enfin, les solutions de précurseurs (PEZ) et (PEZT) ont été déposées directement sur les substrats par la technique de la racle, puis des films monocouches PEZ et PEZT ont été préparés par voie sèche à température ambiante. L'épaisseur finale des films minces PEZ et PEZT était d'environ 440 ± 20 nm, mesurée par la méthode mécanique (méthode du stylet). Les échantillons en vrac ont été préparés en atteignant la solution au stade du gel, puis en traitant thermiquement le gel sur une plaque chauffante à une température de 100 ° C pendant 1 h pour éliminer l'humidité des échantillons. Enfin, les échantillons ont été placés dans le four traditionnel à une température de 450 ° C pendant 20 h, et la masse PEZ et PEZT a été formée par frittage et cristallisation à haute température.

Organigramme pour synthétiser des films minces et des échantillons en vrac par technique sol-gel.

Diffraction des rayons X (DRX) à l'aide d'un diffractomètre PHILIPS X'Pert avec une cible Cu Kα, un filtre Ni et une tension de tube de 40 kV dans une large gamme d'angles de Bragg.

La morphologie des films et masses PEZ et PEZT a été observée au microscope électronique à transmission (TEM), (Jeol, Jem-1010) dans lequel une observation TEM a été réalisée à une tension accélératrice de 70 kV, alors qu'elle n'était que de 40 kV dans le cas de la diffraction électronique, ED. Les propriétés diélectriques des films minces préparés (PEZ) et (PEZT) et de la masse ont été étudiées à l'aide d'électrodes en pâte d'argent (Ag). Un analyseur RLC (modèle 1061, Chen Hwa, LCZ METER, CHINE) a été utilisé pour évaluer la dépendance en fréquence des propriétés diélectriques et de la constante/perte diélectrique par rapport aux caractéristiques des condensateurs (PEZ) et (PEZT) (de 40 Hz à 200 kHz à température ambiante). Un testeur ferroélectrique (RT1339A, Radiant Technologies) fonctionnant à environ 20 Hz a été utilisé pour mesurer la polarisation par rapport aux boucles de champ électrique (PE) des condensateurs (PEZ) et (PEZT). Pour exclure toute tendance hystérétique potentielle pour la caractéristique PE, des mesures ont été effectuées sous forme de balayages cycliques (champ électrique nul à champ électrique positif retour à champ électrique nul, champ électrique nul à champ électrique négatif retour à champ électrique nul).

Les figures 2 et 3 montrent le diagramme XRD des couches minces PEZ et PEZT et de la masse en utilisant une tension de tube de 40 kV dans la plage d'angle de 5 à 70°. On peut voir sur les Fig. 2 et 3 que tous les échantillons présentent une structure nanocristalline avec une taille de grain moyenne de 9,5 nm pour PEZ et 15 nm pour PEZT en utilisant l'équation de Sherrer, qui a été confirmée par TEM. L'équation de Sherrer utilisée pour calculer la taille moyenne des particules, D, est la suivante21 :

où : θ est l'angle du pic de diffraction du rayon X, β montre le pic de diffraction corrigé (pleine largeur à mi-hauteur) en radians, k est le facteur de forme ≅ 1 et λ (nm) est la longueur d'onde incidente du rayon X (1,5405 Å) de rayonnement Cu Kα. Les pics de diffraction typiques (110), (120), (122), (202), (212) et (310) correspondent à 2θ = 15°, 23°, 30°, 38°, 39° et 47° pour PbZrO3 comme illustré sur la Fig. 2a, de plus, comme indiqué précédemment les pics (110), (112), (101) et (211) correspondent à 2θ = 25°, 27°, 32° et 49° pour PbZrEr, démontrer la structure orthorhombique avec la carte JCPDS n° 01-088-0271 du film mince. La figure 2b montre la structure cristalline qui croît le plus rapidement dans le processus de cristallisation par recuit à haute température de 450 ° C, inhibant la croissance des structures cristallines. Les pics de diffraction (110), (111), (121), (003) et (014) correspondent à 2θ = 33°, 37°, 46°, 55° et 59° pour PbZrO3 comme le montre la Fig. 2b , les pics (001), (020), (113), (022), (013) et (220) correspondent à 2θ = 15°, 45°, 53°, 59°, 60° et 67° pour PbZrEr , qui illustrent la structure orthorhombique avec la fiche JCPDS n° 98-046-7260 de l'échantillon global22.

( a ) Modèle XRD d'un échantillon de film mince PEZ dopé à l'Er. ( b ) Modèle XRD d'un échantillon en vrac de PEZ dopé à l'Er.

( a ) Modèle XRD d'un échantillon de film mince PEZT dopé à l'Er. ( b ) Modèle XRD d'un échantillon en vrac de PEZT dopé à l'Er.

Il existe deux autres pics à 2θ = 29° et 48° correspondant aux pics de diffraction (011) et (112) pour le PbO dans l'échantillon global. Cela implique que le nanocristallin a été effectivement créé sans la présence de contaminants étrangers. D'autre part, les résultats XRD pour le système (Pb(0.9)-Er(0.01)-Zr(0.045)-Ti(0.045)) (PEZT), Fig. 3, qui avait une structure bien développée et pourrait être identifié par le développement de pics à 7,5°, 9°, 14°, 17,5°, 19°, 21°, 23°, 24°, 26°, 28°, 29°, 32°, 34°, 42°, 44 °, et 46° degrés dans les (101), (011), (110), (022), (122), (020), (200), (123), (202), (002), (125 ), (202), (224), (401), (032) et (213) directions pour l'échantillon de film mince, Fig. 3a. Les pics de réflexion du film en bon accord avec le JCPDS (fiche n° 01-085-0859), qui est le même que celui précédemment étudié23,24,25,26,27, suggèrent l'existence d'une structure de type tétragonale. La structure cristalline à croissance la plus rapide dans le processus de cristallisation par recuit à haute température, qui se produit à 450 ° C, est représentée sur la figure 3b, qui montre également comment ce processus inhibe la formation d'autres structures cristallines. De plus, les pics (001), (002), (003), (004) et (005) ont une orientation préférée car ils correspondent à θ = 17,5°, 36°, 47°, 55° et 63° pour PEZT et illustrer la structure orthorhombique avec le JCPDS (fiche n° 98-006-2849) de l'échantillon global2,3,4,5,6. (111), (211), (022), (222) et (113) qui correspondent à θ = 28°, 32°, 49°, 59° et 60° pour PZT. La compatibilité entre le volume PEZT et le composant les uns avec les autres peut favoriser la croissance du volume PEZT générant ce comportement, comme le montre la figure 2. La densité de pic et l'intensité de pic étaient significativement plus élevées que celles du film BEZT. Selon le principe de la chimie cristalline24, les ions Er3+ pénètrent dans les structures des sites Pb et Zr et remplacent préférentiellement les ions Pb2+ dans les sites Pb. Deux ions Er3+ remplacent deux ions Pb2+ ou Zr4+, créant une lacune O2− et entraînant une légère contraction du réseau pour préserver la neutralité électrique. De plus, le rayon ionique de Er3+ (1,01 Å) est plus petit que celui de Pb2+ (1,19 Å)), ce qui se traduit par un espacement interplaner du réseau cristallin plus petit d28,29,30. La croissance normale des grains sera affectée car il a été démontré que l'ajout de dopant Er s'accumulera aux joints de grains2,23. Certains des ions Zr4+ ou Ti4+ sont remplacés par des ions Er3+ lorsque le dopage Er est ajouté au PEZT. L'espacement d du réseau cristallin augmente lorsque le rayon ionique de Er3+ (1,01 Å) augmente par rapport à Zr4+ ou Ti4+ (0,72 Å, 0,61 Å). De plus, la plupart des ions Er3+ remplacent les ions Pb2+. Cependant, deux ions Er3+ doivent remplacer deux ions Zr4+ ou Ti4+ afin de préserver la neutralité électrique, ce qui se traduit par une lacune O2 et une légère contraction du réseau29,31.

La morphologie TEM et la distribution des grains des échantillons PEZ à film mince et en vrac sont illustrées sur les figures 4a, b. De toute évidence, les nanoparticules des Fig. 4 et 5a sont essentiellement de taille homogène, et des grains fins d'une taille moyenne de 9,3 nm peuvent être observés dans l'échantillon de film mince, ce qui est assez similaire aux tailles déterminées à l'aide des calculs XRD. Les figures 4 et 5b montrent que les nano-bâtonnets qui ont un diamètre moyen de 45 ± 1 nm et 455 ± 5 nm sur une longueur moyenne, sont donc cristallins, selon les résultats TEM. La structure cristalline a été vérifiée par le modèle de diffraction électronique de zone sélectionnée (SAED) (Fig. 4a, b) pour PEZ. Le film mince PEZT et l'échantillon en vrac sont photomicrographiés par TEM et sont affichés sur les Fig. 5a, b. La figure montre que le film PEZT et les échantillons en vrac avec le dopage Er affichent des structures nanocristallines claires. Il a été montré que l'ajout de dopant Er se rassemblerait aux joints de grains, ce qui altérerait la croissance normale des grains, confirmé par XRD23. Les grains d'une taille moyenne de 15 nm sont visibles dans l'échantillon de film mince, ce qui est assez similaire aux tailles estimées à l'aide des calculs XRD. Selon la mesure TEM, les nano-bâtonnets de la figure 5b sont cristallins car ils ont un diamètre moyen de 45 nm et une longueur moyenne de 450 nm. Le diagramme de diffraction électronique de zone sélectionnée (SAED) a prouvé que le matériau était cristallisé (Fig. 5a, b).

( a ) TEM de PEZ dopé à l'Er d'un échantillon de film mince. ( b ) TEM de nano-tiges PEZ dopées à l'Er d'échantillon en vrac.

( a ) TEM de PEZT dopé à l'Er d'un échantillon de film mince. ( b ) TEM de nano-tiges PEZT dopées à l'Er d'échantillon en vrac.

Les figures 6a, b montrent les courbes de la constante diélectrique en fonction de la fréquence des films minces PEZ et PEZT et des échantillons en vrac à température ambiante. Évidemment, la constante diélectrique diminue avec l'augmentation de la fréquence sur la gamme de fréquences de 100 Hz à 20 MHz, puis commence à rester constante. En général, les effets de la conductivité sont liés aux diminutions de la constante diélectrique avec la fréquence. La constante diélectrique du film PEZ est d'environ 86,5 et 11 pour un échantillon global, mais pour le film PEZT, elle est d'environ 480 et 17 pour un échantillon global. En comparant la constante diélectrique des échantillons à l'étude (film et vrac), nous avons constaté que la constante diélectrique du film mince est 8 fois plus grande que la valeur de la constante diélectrique de l'échantillon en vrac pour PEZ, également pour PEZT. Cela est dû au nombre plus élevé de dipôles dans le film mince que dans la forme en vrac24,27,28,29,30. La polarisation des particules est le plus grand contributeur à la constante diélectrique. La présence de différentes particules polarisées, y compris les charges d'espace, les ions et les électrons, est principalement à l'origine de la constante diélectrique élevée aux basses fréquences. L'échec de polarisation de certaines particules entraîne une diminution de la constante diélectrique, donc constante à mesure que la fréquence augmente1,2. La figure 3b montre que le degré d'orientation augmente avec la quantité de dopant Er dans l'échantillon en vrac PEZT. Les tendances de la constante diélectrique et de la perte diélectrique sont également similaires. Il est probable que ce soit le cas car cette orientation est celle qui pourrait être utilisée pour la polarisation dans la phase orthorhombique, ce qui améliore les caractéristiques diélectriques de l'échantillon en vrac PPZT ainsi que de l'échantillon de film2. En général, la constante diélectrique et la perte diélectrique des échantillons de film et en vrac sont inférieures à celles de la même composition sans dopage à l'erbium (Er) et d'autres systèmes dopés pour les échantillons de film mince1,2. Une étude antérieure a révélé qu'une constante diélectrique est principalement abaissée dans les échantillons de couches minces en raison de la polarisabilité des molécules, qui peut varier en modifiant le type et la quantité de groupes polarisables23. Comme en témoignent les échantillons de couches minces, la lacune de plomb, la distorsion du réseau, la réduction des contraintes locales du réseau, la facilitation de la commutation de domaine et une augmentation de la constante diélectrique se produisent lorsque les ions Er3+ dopés remplacent les ions Pb2+ en tant que donneurs. En revanche, dans les échantillons massifs, les ions Er3+ prennent la place des ions Zr4+ ou Ti4+ pour jouer le rôle de dopant principal, créant des lacunes d'oxygène. L'action d'épinglage des lacunes d'oxygène rend difficile le retournement du domaine et la constante diélectrique chute29,30. Les dopants Er s'assemblent sur la surface limite des grains en même temps, empêchant le développement des grains et abaissant la constante diélectrique. La caractéristique de commutation de la paroi du domaine, qui est comparable à la fluctuation de la constante diélectrique, est principalement responsable de la variation de la perte diélectrique31.

( a ) Constante diélectrique en fonction de la fréquence pour les échantillons de couches minces PEZ et PEZT dopés à l'Er. ( b ) Constante diélectrique en fonction de la fréquence pour les échantillons en vrac PEZ et PEZT dopés à l'Er.

La perte diélectrique des nanocristaux est illustrée sur les figures 7a, b, qui illustrent l'amélioration de la perte diélectrique en comparant les couches minces et les échantillons massifs avec d'autres systèmes dopés et non dopés1,2. La perte diélectrique de l'échantillon de film mince est inférieure à celle de l'échantillon global pour PEZ et PEZT. D'autre part, la perte diélectrique du film mince et des échantillons en vrac pour PEZ est inférieure à celle de PEZT. Cette différence est due à la taille réduite des cristaux et à la cristallinité lors de la préparation des échantillons. La réponse diélectrique montre que les échantillons produits peuvent modifier la constante diélectrique et la perte diélectrique. Comme l'échantillon de film produit réduisait la cristallinité et rendait le film plus dense en minimisant les imperfections, la perte diélectrique du film était inférieure à celle de l'échantillon global29,31,32,33.

( a ) Perte diélectrique en fonction de la fréquence pour les échantillons de couches minces PEZ et PEZT dopés à l'Er. ( b ) Perte diélectrique en fonction de la fréquence pour les échantillons en vrac PEZ et PEZT dopés à l'Er.

La figure 8a, b montre les caractéristiques ferroélectriques des échantillons PEZ et PEZT (couche mince et vrac). Lorsqu'elle est chargée à une fréquence de 1000 Hz, la figure 8a illustre les boucles d'hystérésis de polarisation des films PEZ et PEZT avec Er dopé, respectivement. la figure 8a montre la polarisation et la direction du champ électrique étaient des boucles d'hystérésis à polarisation asymétrique et saturée; des films dopés PEZ et PEZT, mais la figure 8b représente la polarisation et la direction du champ électrique des échantillons en vrac dopés PEZ et PEZT étaient tous deux symétriques, tous les échantillons avaient des boucles d'hystérésis de polarisation saturées. Selon une recherche, la principale cause de l'asymétrie de polarisation était l'accumulation de charges d'espace à l'interface électrode-ferroélectrique. Cependant, la présence d'un champ électrique interne peut être la cause principale de l'asymétrie dans le champ électrique4,7.

( a ) Boucles d'hystérésis P – E de films minces PEZ et PEZT dopés à l'Er. ( b ) Boucles d'hystérésis P – E d'échantillons en vrac PEZ et PEZT dopés à l'Er.

On suppose que le dopage Er modifie les champs électriques internes PEZ et PEZT (échantillons en vrac plutôt que films), réduisant l'influence de l'accumulation de charge d'espace à l'interface électrode-PZT et améliorant l'asymétrie de la courbe d'hystérésis de polarisation. Comme le montre la figure 8a, la polarisation résiduelle et le champ coercitif des films minces PEZ et PEZT augmentent d'abord, puis diminuent. Les champs coercitifs des films PEZ et PEZT étaient de 43 kV/cm et 45,43 kV/cm respectivement, tandis que les films PEZ et PEZT dopés à l'Er ont atteint la plus grande polarisation résiduelle des films PEZ et PEZT, atteignant 36,25 μC/cm2 et 69,79 μC/ cm2 respectivement. On peut expliquer que les lacunes de plomb dans les couches minces PEZ et PEZT, lorsqu'elles sont dopées avec Er, peuvent encourager l'inversion de domaine, augmenter la polarisation résiduelle et augmenter les champs coercitifs. La plus grande polarisation résiduelle des échantillons en vrac PEZ et PEZT, cependant, a été obtenue par les échantillons en vrac PEZ et PEZT dopés à l'Er, qui avaient des polarisations résiduelles de 27,15 μC/cm2 et 37,29 μC/cm2, respectivement, tandis que les échantillons en vrac PEZ et PEZT ont champs coercitifs de 32,3 kV/cm et 39,3 kV/cm, respectivement. Cependant, lors du dopage Er, les lacunes d'oxygène dans les couches minces de PPZT augmentent et les charges d'espace associées à la lacune d'oxygène produisent un effet d'épinglage pour empêcher l'inversion de domaine, réduisant la polarisation résiduelle et le champ coercitif7,29,30.

Lors de la transition de phase des matériaux FE, le processus de commutation de polarisation s'accompagnait toujours d'un changement du champ électrique, de la température ou de la pression hydrostatique. Par conséquent, une large gamme d'applications pour les matériaux FE était disponible, les condensateurs à haute énergie étant l'un des plus importants31,32. Des diélectriques linéaires et des matériaux FE peuvent être utilisés dans des condensateurs de stockage d'énergie électrique. La polarisation des matériaux diélectriques par rapport aux boucles de champ électrique appliqué (PE) est utilisée pour évaluer leur capacité à stocker l'énergie. Selon la description de la densité de stockage d'énergie via des boucles PE, la quantité d'énergie stockée dans un diélectrique par unité de volume est déterminée par la formule suivante1,34 :

Pour obtenir la valeur de W basée sur l'équation, la zone entre l'axe de polarisation et les courbes des boucles PE est intégrée numériquement (2). L'enquête a montré que la densité et l'efficacité de stockage d'énergie pour les couches minces et les céramiques étaient, en moyenne, supérieures à ce qui avait été signalé pour la première fois pour les couches minces PZ et PZT1,3. La densité et l'efficacité de stockage d'énergie pour les couches minces et les céramiques étaient en moyenne d'environ 36,25 J/cm3 pour les couches minces (PEZ) et de 69,79 J/cm3 pour les couches minces (PEZT) (Fig. 8a). L'efficacité de stockage d'énergie (η) et la densité de perte d'énergie W (perte) étaient souhaitées pour des applications pratiques. Les boucles PE pourraient également être utilisées pour mesurer la densité de perte d'énergie W (perte), et les calculs ont révélé que W (perte) pour PEZ et PEZT était d'environ 18,66 J/cm3 et 33,22 J/cm3, respectivement. Avec l'utilisation de cette formule, l'efficacité de stockage d'énergie (η) peut être déterminée.

L'efficacité de stockage d'énergie des films PEZ était d'environ 66,01% en utilisant l'équation ci-dessus et de 67,8% pour PEZT. En raison de leur haute densité d'énergie et de leur efficacité, il a été découvert que les couches minces et les céramiques PEZ et PEZT avaient une utilité potentielle dans le dispositif de stockage d'énergie. Selon l'étude, on pensait que l'asymétrie de polarisation était principalement causée par l'accumulation de charges d'espace au contact électrode-ferroélectrique. Cependant, la présence d'un champ électrique interne peut être la cause principale de l'asymétrie du champ électrique7,9,31,32. En modifiant les champs électriques internes de PEZ et PEZT (échantillons céramiques plutôt que films), le dopage Er devrait réduire l'effet d'accumulation de charge d'espace à l'interface électrode-PZT et augmenter l'asymétrie de la courbe d'hystérésis de polarisation. Comme le montre la figure 8, la polarisation résiduelle et le champ coercitif des films minces PEZ et PEZT augmentent initialement avant de diminuer sur la figure 8a. Par rapport aux couches minces PEZ et PEZT, la polarisation résiduelle des couches minces PEZ et PEZT dopées à l'Er s'est avérée être de 36,25 μC/cm2 et 69,79 μC/cm2, respectivement. Les films PEZ et PEZT ont des champs coercitifs de 32,3 kV/cm et 39,3 kV/cm, respectivement. On pourrait faire valoir que les lacunes en plomb dans les films minces PEZ et PEZT dopés à l'Er peuvent améliorer les champs coercitifs, favoriser l'inversion de domaine et augmenter la polarisation résiduelle35,36,37,38,39,40,41.

La structure et la constante diélectrique des films minces et des échantillons en vrac sont étudiées. Les résultats suggèrent que les propriétés structurelles, ferroélectriques et diélectriques des matériaux affectent la teneur en erbium. Les structures des échantillons sont caractérisées par TEM et XRD. Les nano-tiges en vrac PEZ et PEZT avaient des dimensions de 455 nm de longueur et de 45 nm de diamètre, tandis que les films PEZ et PEZT avaient des nanocristaux de respectivement 9,5 nm et 15 nm, ce qui a été confirmé par les résultats du TEM. Les résultats des propriétés diélectriques révèlent que les échantillons à l'étude présentent d'excellentes performances, qui pourraient non seulement obtenir une constante diélectrique plus élevée, mais également une faible perte diélectrique pour les couches minces par rapport aux échantillons massifs. Le film PEZT a une constante diélectrique d'environ 480 et 17 pour les échantillons en vrac, contre environ 86,5 et 11 pour le film PEZ. Nous avons découvert que, pour PEZ et PEZT, la constante diélectrique du film mince est presque supérieure à la valeur de la constante diélectrique de l'échantillon global. Les films PEZ et PEZT dopés à l'Er avaient la polarisation résiduelle la plus élevée, mesurant respectivement 36,25 μC/cm2 et 69,79 μC/cm2, et des champs coercitifs de 43 kV/cm et 45,43 kV/cm, respectivement. En revanche, les polarisations résiduelles des échantillons en vrac PEZ et PEZT étaient de 27,15 μC/cm2 et 37,29 μC/cm2, respectivement, tandis que les champs coercitifs étaient de 32,3 kV/cm et 39,3 kV/cm, respectivement. L'efficacité de stockage d'énergie des films PEZ était d'environ 66,01% et de 67,8% pour PEZT. En conséquence, les films en vrac et minces PEZ et PEZT fabriqués à l'aide de la méthode sol-gel ont de bonnes qualités structurelles, des propriétés diélectriques et des propriétés ferroélectriques qui peuvent être appliquées aux applications de mémoire ferroélectrique et de stockage d'énergie.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Grâce à l'Académie de la recherche scientifique et de la technologie (ASRT), cette recherche est un projet spécialisé et a été soutenue financièrement par l'(ASRT), Egypte, Grant No (6573).

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Département de physique, Faculté des sciences, Université Al-Arish, Al-Arish, Égypte

FA Ibrahim

Académie de la recherche scientifique et de la technologie de la République arabe d'Égypte, Le Caire, Égypte

FA Ibrahim

Département de physique, Faculté des sciences, Université de Suez, Suez, Égypte

MM El-Désoky

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FAI a rédigé le texte principal du manuscrit, préparé toutes les figures et analysé les résultats. MME a examiné le manuscrit.

Correspondance à FA Ibrahim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ibrahim, FA, El-Desoky, MM Films nanocristallins dopés à l'erbium (Pb0.9-Er0.01-Zr0.09) et (Pb0.9-Er0.01-Zr0.045-Ti0.045) et nano- synthèse de céramique de bâtonnets par technique sol-gel pour application de stockage d'énergie. Sci Rep 13, 4192 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31279-3

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Reçu : 08 octobre 2022

Accepté : 09 mars 2023

Publié: 14 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31279-3

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