Τα υλικά που χρησιμοποιούμε καθημερινά στις ηλεκτρονικές συσκευές, όπως τα κινητά, οι υπολογιστές και οι αισθητήρες, βασίζονται (μεταξύ άλλων) σε «έξυπνα» κεραμικά. Ένα από αυτά είναι το BaTiO3, ή αλλιώς τιτανικό βάριο (barium titanate), το οποίο είναι ένα υλικό με την τυπική δομή περοβσκίτη (ABX3) που εδώ και χρόνια χρησιμοποιείται σε πυκνωτές και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Η τρέχουσα επιστημονική έρευνα ασχολείται ενεργά με την ανακάλυψη τρόπων έτσι ώστε το BaTiO3 να γίνει ακόμη πιο λειτουργικό σε περισσότερες εφαρμογές. Οι λανθανίδες είναι μια ομάδα στοιχείων του περιοδικού πίνακα που περιλαμβάνει τα στοιχεία από το La (λανθάνιο) με ατομικό αριθμό 57, μέχρι και το λουτήτιο (Lu) με ατομικό αριθμό 71. Όταν προστίθενται (ντοπάρισμα; doping) στο BaTiO3 (Ln-doped BaTiO3) σε πολύ μικρές ποσότητες, μπορούν να υποκαταστήσουν είτε το Ba2+ (θέση Α) είτε το Ti4+ (θέση B), επηρεάζοντας σημαντικά τη μικροδομή και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του θεμελιώδους ΒaTiO3 υλικού. Οι επιπτώσεις της προσθήκης αυτής εξαρτώνται από το μέγεθος των ιόντων, τον μηχανισμό αντιστάθμισης φορτίου και τις συνθήκες σύνθεσης. Για παράδειγμα, στοιχεία με μεγαλύτερη ιοντική ακτίνα όπως το La3+ (λανθάνιο) καταλαμβάνουν κυρίως τις θέσεις Α (Ba2+), ενώ μικρότερα ιόντα όπως το Yb3+ (υττέρβιο) προτιμούν τις θέσεις Β (Ti4+). Ως συνέπεια, το νέο ντοπαρισμένο υλικό μπορεί να είναι πιο σταθερό, να λειτουργεί καλύτερα σε υψηλές θερμοκρασίες ή να να έχει καινούριες δυνατότητες, όπως η φωταύγεια ή ο μαγνητισμός.
Πρόσφατα δημοσιεύθηκε ένα άρθρο ανασκόπησης (review article) με συγγραφείς τον Dr T. Nakagawa, τη Δρ. Μελίτα Μενελάου και τη Dr Martina Vrankić στο Advanced Physics Research (Wiley, Adv. Physics Res. 2025, 2500006 (46 pages)), που εξετάζει πώς ακριβώς οι λανθανίδες αλλάζουν τη συμπεριφορά του θεμελιώδους υλικού. Η λεπτομερής ανασκόπηση δείχνει ότι τα ιόντα των λανθανιδίων μπορούν να μπουν μέσα στη δομή του υλικού και να δημιουργήσουν μικροσκοπικές «ατέλειες», οι οποίες όμως μπορούν να βελτιώσουν την ηλεκτρική απόδοση και την αξιοπιστία του υλικού. Αυτές οι «διορθώσεις» μπορούν να κάνουν το υλικό πιο κατάλληλο για χρήση σε σύγχρονα gadgets και άλλες τεχνολογίες. Επιπλέον, μέσω της ενδελεχούς μελέτης που έγινε, επισημαίνεται ο σημαντικός ρόλος της μεθοδολογίας σύνθεσης αυτών των υλικών (π.χ. υδροθερμική σύνθεση, αντιδράσεις στερεάς κατάστασης, sol-gel, κτλ), γεγονός που αντανακλάται στις αλλαγές στη δομή, την κρυσταλλικότητα και την κατανομή των ιόντων μέσα στο πλέγμα.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η συμβολή του λανθανίου (La3+), το οποίο φαίνεται να είναι από τα πιο αποτελεσματικά στη βελτίωση των ιδιοτήτων του BaTiO3. Όταν προστίθεται στο BaTiO3 σε μικρές ποσότητες, μειώνεται το μέγεθος των κρυστάλλων, η δομή γίνεται πιο σταθερή ενώ υπάρχει καλύτερη απόδοση του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε μεγαλύτερες ποσότητες, παρατηρήθηκε μειώση της αγωγιμότητάς του. Ένα άλλο στοιχείο που μελετήθηκε και παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι το Ce (δημήτριο), το οποίο εμφανίζεται σε δύο οξειδωτικές καταστάσεις (Ce3+ και Ce4+). Αυτά τα ιόντα μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικά σημεία μέσα στο πλέγμα καταλαμβάνοντας είτε θέσεις Α (Ba2+) είτε θέσεις Β (Ti4+). Η μεταβολή αυτή επηρεάζει την θερμοκρασία Curie (Tc), τη διηλεκτρική σταθερά και τη σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού.
Η σημασία αυτής της μελέτης ανασκόπησης είναι μεγάλη. Με τις σωστές προσμίξεις, το BaTiO3 μπορεί να γίνει πιο αποδοτικό, πιο φιλικό στο περιβάλλον αλλά και ιδανικό για χρήση σε καινούριες, φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες, όπως στα πιεζοηλεκτρικά και διηλεκτρικά υλικά. Η προσθήκη λανθανιδίων αποδεικνύεται να βελτιώνει τη διηλεκτρική απόκριση, να μειώνει τον συντελεστή απωλειών, και να ρυθμίζει τη θερμοκρασία Curie, το σχηματισμό κόκκων και την ηλεκτρική αντίσταση. Ωστόσο, κάτω από υψηλή πίεση, τα Ln-doped BaTiO₃ υλικά μπορούν να παρουσιάσουν ακόμη και αγωγιμότητα. Η εφαρμογή μηχανικής πίεσης παραμένει ανεξερεύνητη και παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες, ενώ η συσχέτιση δομικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων κάτω από πίεση έχει μελετηθεί ελάχιστα, με το σύστημα Eu-doped BaTiO₃ να αποτελεί τη μόνη τεκμηριωμένη εξαίρεση.
Παραμένει αναμφισβήτητο ότι οι πιο σημαντικές ανακαλύψεις για τη δομή και τις αλλαγές που συμβαίνουν στα ντοπαρισμένα BaTiO₃ υλικά έγιναν στις αρχές του 21ου αιώνα – ιδιαίτερα στα συστήματα La- και Ce-doped BaTiO₃. Ταυτόχρονα, αναμένεται ότι και νέες έρευνες επικεντρωμένες στην μελέτη αλληλεπίδρασης των λανθανιδίων σε περοβσκίτες θα εμπλουτίσουν την τρέχουσα βιβλιογραφία, ενώ φαίνεται ότι το ενδιαφέρον είναι εστιασμένο σε εφαρμογές σχετικές με την πράσινη μετάβαση και την ανανεώσιμη ενέργεια.
Το άρθρο είναι προσβάσιμο στον πιο κάτω σύνδεσμο:
Showcasing the Structure and Properties of Lanthanide-Doped BaTiO3
Για πληροφορίες σχετικά με τη δημοσίευση:
Μελίτα Μενελάου, Επίκουρη Καθηγήτρια Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών | +357 25 00 2308 | melita.menelaou@cut.ac.cy
Ένα Λειτουργικό Υλικό του Μέλλοντος: BaTiO3 Ντοπαρισμένο με Λανθανίδες
Τα υλικά που χρησιμοποιούμε καθημερινά στις ηλεκτρονικές συσκευές, όπως τα κινητά, οι υπολογιστές και οι αισθητήρες, βασίζονται (μεταξύ άλλων) σε «έξυπνα» κεραμικά. Ένα από αυτά είναι το BaTiO3, ή αλλιώς τιτανικό βάριο (barium titanate), το οποίο είναι ένα υλικό με την τυπική δομή περοβσκίτη (ABX3) που εδώ και χρόνια χρησιμοποιείται σε πυκνωτές και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Η τρέχουσα επιστημονική έρευνα ασχολείται ενεργά με την ανακάλυψη τρόπων έτσι ώστε το BaTiO3 να γίνει ακόμη πιο λειτουργικό σε περισσότερες εφαρμογές. Οι λανθανίδες είναι μια ομάδα στοιχείων του περιοδικού πίνακα που περιλαμβάνει τα στοιχεία από το La (λανθάνιο) με ατομικό αριθμό 57, μέχρι και το λουτήτιο (Lu) με ατομικό αριθμό 71. Όταν προστίθενται (ντοπάρισμα; doping) στο BaTiO3 (Ln-doped BaTiO3) σε πολύ μικρές ποσότητες, μπορούν να υποκαταστήσουν είτε το Ba2+ (θέση Α) είτε το Ti4+ (θέση B), επηρεάζοντας σημαντικά τη μικροδομή και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του θεμελιώδους ΒaTiO3 υλικού. Οι επιπτώσεις της προσθήκης αυτής εξαρτώνται από το μέγεθος των ιόντων, τον μηχανισμό αντιστάθμισης φορτίου και τις συνθήκες σύνθεσης. Για παράδειγμα, στοιχεία με μεγαλύτερη ιοντική ακτίνα όπως το La3+ (λανθάνιο) καταλαμβάνουν κυρίως τις θέσεις Α (Ba2+), ενώ μικρότερα ιόντα όπως το Yb3+ (υττέρβιο) προτιμούν τις θέσεις Β (Ti4+). Ως συνέπεια, το νέο ντοπαρισμένο υλικό μπορεί να είναι πιο σταθερό, να λειτουργεί καλύτερα σε υψηλές θερμοκρασίες ή να να έχει καινούριες δυνατότητες, όπως η φωταύγεια ή ο μαγνητισμός.
Πρόσφατα δημοσιεύθηκε ένα άρθρο ανασκόπησης (review article) με συγγραφείς τον Dr T. Nakagawa, τη Δρ. Μελίτα Μενελάου και τη Dr Martina Vrankić στο Advanced Physics Research (Wiley, Adv. Physics Res. 2025, 2500006 (46 pages)), που εξετάζει πώς ακριβώς οι λανθανίδες αλλάζουν τη συμπεριφορά του θεμελιώδους υλικού. Η λεπτομερής ανασκόπηση δείχνει ότι τα ιόντα των λανθανιδίων μπορούν να μπουν μέσα στη δομή του υλικού και να δημιουργήσουν μικροσκοπικές «ατέλειες», οι οποίες όμως μπορούν να βελτιώσουν την ηλεκτρική απόδοση και την αξιοπιστία του υλικού. Αυτές οι «διορθώσεις» μπορούν να κάνουν το υλικό πιο κατάλληλο για χρήση σε σύγχρονα gadgets και άλλες τεχνολογίες. Επιπλέον, μέσω της ενδελεχούς μελέτης που έγινε, επισημαίνεται ο σημαντικός ρόλος της μεθοδολογίας σύνθεσης αυτών των υλικών (π.χ. υδροθερμική σύνθεση, αντιδράσεις στερεάς κατάστασης, sol-gel, κτλ), γεγονός που αντανακλάται στις αλλαγές στη δομή, την κρυσταλλικότητα και την κατανομή των ιόντων μέσα στο πλέγμα.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η συμβολή του λανθανίου (La3+), το οποίο φαίνεται να είναι από τα πιο αποτελεσματικά στη βελτίωση των ιδιοτήτων του BaTiO3. Όταν προστίθεται στο BaTiO3 σε μικρές ποσότητες, μειώνεται το μέγεθος των κρυστάλλων, η δομή γίνεται πιο σταθερή ενώ υπάρχει καλύτερη απόδοση του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε μεγαλύτερες ποσότητες, παρατηρήθηκε μειώση της αγωγιμότητάς του. Ένα άλλο στοιχείο που μελετήθηκε και παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι το Ce (δημήτριο), το οποίο εμφανίζεται σε δύο οξειδωτικές καταστάσεις (Ce3+ και Ce4+). Αυτά τα ιόντα μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικά σημεία μέσα στο πλέγμα καταλαμβάνοντας είτε θέσεις Α (Ba2+) είτε θέσεις Β (Ti4+). Η μεταβολή αυτή επηρεάζει την θερμοκρασία Curie (Tc), τη διηλεκτρική σταθερά και τη σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού.
Η σημασία αυτής της μελέτης ανασκόπησης είναι μεγάλη. Με τις σωστές προσμίξεις, το BaTiO3 μπορεί να γίνει πιο αποδοτικό, πιο φιλικό στο περιβάλλον αλλά και ιδανικό για χρήση σε καινούριες, φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες, όπως στα πιεζοηλεκτρικά και διηλεκτρικά υλικά. Η προσθήκη λανθανιδίων αποδεικνύεται να βελτιώνει τη διηλεκτρική απόκριση, να μειώνει τον συντελεστή απωλειών, και να ρυθμίζει τη θερμοκρασία Curie, το σχηματισμό κόκκων και την ηλεκτρική αντίσταση. Ωστόσο, κάτω από υψηλή πίεση, τα Ln-doped BaTiO₃ υλικά μπορούν να παρουσιάσουν ακόμη και αγωγιμότητα. Η εφαρμογή μηχανικής πίεσης παραμένει ανεξερεύνητη και παρουσιάζει μεγάλες δυνατότητες, ενώ η συσχέτιση δομικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων κάτω από πίεση έχει μελετηθεί ελάχιστα, με το σύστημα Eu-doped BaTiO₃ να αποτελεί τη μόνη τεκμηριωμένη εξαίρεση.
Παραμένει αναμφισβήτητο ότι οι πιο σημαντικές ανακαλύψεις για τη δομή και τις αλλαγές που συμβαίνουν στα ντοπαρισμένα BaTiO₃ υλικά έγιναν στις αρχές του 21ου αιώνα – ιδιαίτερα στα συστήματα La- και Ce-doped BaTiO₃. Ταυτόχρονα, αναμένεται ότι και νέες έρευνες επικεντρωμένες στην μελέτη αλληλεπίδρασης των λανθανιδίων σε περοβσκίτες θα εμπλουτίσουν την τρέχουσα βιβλιογραφία, ενώ φαίνεται ότι το ενδιαφέρον είναι εστιασμένο σε εφαρμογές σχετικές με την πράσινη μετάβαση και την ανανεώσιμη ενέργεια.
Το άρθρο είναι προσβάσιμο στον πιο κάτω σύνδεσμο:
Showcasing the Structure and Properties of Lanthanide-Doped BaTiO3
Για πληροφορίες σχετικά με τη δημοσίευση:
Μελίτα Μενελάου, Επίκουρη Καθηγήτρια Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών | +357 25 00 2308 | melita.menelaou@cut.ac.cy
