Structural and dielectric properties, and nonlinear electrical response of the CaCu Zn Ti O ceramics: Experimental and computational studies

材料科学 电介质 晶界 介电损耗 耗散因子 介电常数 陶瓷 相界 粒度 复合材料 兴奋剂 凝聚态物理 相(物质) 微观结构 光电子学 化学 物理 有机化学
作者
Jakkree Boonlakhorn,Narong Chanlek,Jedsada Manyam,Sriprajak Krongsuk,Prasit Thongbai,Pornjuk Srepusharawoot
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:47 (16): 22390-22396 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2021.04.248
摘要

CaCu3-xZnxTi4O12 ceramics (x = 0, 0.05, 0.10) were successfully prepared by a conventional solid-state reaction method. Their structural and dielectric properties, and nonlinear electrical response were systematically inspected. The X-ray diffraction results indicated that single-phase CaCu3Ti4O12 (JCPDS no. 75–2188) was obtained in all sintered ceramics. Changes in the lattice parameter are well-matched with the computational result, indicating an occupation of Zn2+ doping ions at Cu2+ sites. The overall tendency shows that the average grain size decreases when x increases. Due to a decrease in overall grain size, the dielectric permittivity of CaCu3-xZnxTi4O12 decreases expressively. Despite a decrease in the dielectric permittivity, it remains at a high level in the doped ceramics (~3,406–11,441). Besides retention in high dielectric permittivity, the dielectric loss tangent of x = 0.05 and 0.10 (~0.074–0.076) is lower than that of x = 0 (~0.227). A reduction in the dielectric loss tangent in the CaCu3-xZnxTi4O12 ceramics is closely associated with the enhanced grain boundary response. Increases in grain boundary resistance, breakdown electric field, and conduction activation energy of grain boundary as a result of Zn2+ substitution are shown to play a crucial role in improved grain boundary response. Furthermore, the XPS analysis shows the existence of Cu+/Cu2+ and Ti3+/Ti4+, indicating charge compensation due to the loss of oxygen lattice. Based on all results of this work, enhanced dielectric properties of the Zn-doped CCTO can be explained using the internal barrier layer capacitor model.

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