Ultralow dielectric loss in Tb + Ta‐modified TiO₂ giant dielectric ceramics via designing defect chemistry

Abstract

The environment-friendly materials exhibiting colossal permittivity play an increasingly important role in the electronics industry. In this work, (Tb 0.5 Ta 0.5 ) x Ti 1−x O 2 (x = 0, 0.005, 0.01, 0.02, and 0.04) ceramics with new defect clusters were fabricated to enhance the dielectric response. Significantly, all ceramic samples exhibit large dielectric constants (ε r > 10 4 ), whereas the ceramic with x = 0.005 exhibits an ultralow loss (tan δ) of about 0.008 at room temperature and 1 kHz. The origins of its excellent dielectric properties were revealed by XRD, X-ray photoelectron spectroscopy, and dielectric response analysis, which were mainly caused by defective dipoles associated with oxygen vacancies (𝑉 •• O ). These defective dipoles limiting the long-range hopping of electrons lead to the electron pinning effect. Additionally, the frequency spectrum under DC bias and conductivity behavior suggests that grain boundary and electrode effects also contribute to the dielectric constant. This study not only explores the dielectric response properties of a new giant dielectric (Tb 0.5 Ta 0.5 ) x Ti 1−x O 2 ceramics but also offers a candidate material suitable for ceramics capacitors.

Giant dielectric response and relaxation behavior of Bi3+/W6+ co-doped TiO2 ceramics

“…Typically, acceptor ions with large ionic radii usually exhibit large permittivity effects, such as Bi 3+ + Nb 5+ , Er 3+ + Nb 5+ , Y 3+ + Ta 5+ , Y 3+ + Nb 5+ , Tb 3+ + Nb 5+ and Tb 3+ + Sb 5+ co-doped TiO 2 ceramics. [18][19][20][21][22][23][24] Electronegativity is a chemical property comprehensive consideration of ion valence and ion radius, which are used to describe the ability of atoms in a compound to attract electrons. The highly electronegative W 6+ as the donor ion usually exhibits excellent dielectric properties, such as Ag + + W 6+ , Cu 2+ + W 6+ , Zn 2+ + W 6+ co-doped TiO 2 ceramics.…”

Propriedades dielétricas da titânia co-dopada

“…Buscando elucidar também os mecanismos intrínsecos do rutilo co-dopado, diversos estudos se basearam numa abordagem computacional utilizando métodos de primeiros princí-pios (Ab initio calculations) que não utilizam parâmetros experimentais ou empíricos com a metodologia do DFT [17,35,[56][57][58][59][60][61][62][63][64].…”

“…Estudos da titânia co-dopada com íons tri e pentavalentes utilizando DFT buscaram: encontrar as configurações de estruturas mais prováveis [17,35,56,[61][62][63] a partir da relaxação estrutural e cálculo de valores de energia, avaliar a distribuição de cargas no cristal [17,35,[56][57][58] através da distribuição da função de localização eletrônica (ELF -Electron Localization Function). Com base nestes resultados, também realizados estudos com o método DFT com cátions de valência 2+ como o Mg [59,64] e Sr [60].…”

“…Representações da função de localização de elétrons em 2D mostram que a introdução de átomos heterogêneos na rede do rutilo aumenta a concentração eletrônica no cristal, além de causarem distorção na estrutura cristalina. Para manter a dinâmica da estabilidade os aglomerados de defeitos reduzem a força de ligação entre os elétrons e íons, assim elétrons de valência são localizados nos aglomerados de defeitos [57,60]. A deformação da rede, vacâncias de oxigênio e introdução de íons heterogêneos são as principais causas para a formação dos grãos com caráter semicondutor no rutilo.…”

“…A força de ligação do elétron na rede cristalina da fase de impureza desempenha um papel fundamental na perda dielétrica. Uma força de ligação eletrônica fraca e fácil transferência do elétron da fase de impureza rica em dopantes de estado de carga 5+, resulta em altas perdas dielétricas [60]. A partir da avaliação dos resultados dos cálculos é possível ter maior conhecimento dos mecanismos responsáveis pelas propriedades dielétricas, podendo ser devido ao defeito EPDD [17,58,59,62] ou ao efeito IBLC ou SBLC [60,63] ou até mesmo ao salto de elétrons entre redes [61].…”