The origin of dielectric relaxation behavior in TiO2 based ceramics co-doped with Zn2+, W6+ ions under a N2/O2 sintering atmosphere

材料科学 电介质 陶瓷 介电常数 离子 介电损耗 晶界 凝聚态物理 复合材料 矿物学 分析化学(期刊) 化学 微观结构 光电子学 物理 有机化学 色谱法
作者
Lin Zhou,Guoyan Yang,Dong Yang,Jinhua Xu,Zhanhui Peng,Di Wu,Lingling Wei,Pengfei Liang,Xiaolian Chao,Zupei Yang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (10): 7373-7382 被引量:1
标识
DOI:10.1039/d2cp05514g
摘要

Dense (Zn0.5W0.5)xTi1-xO2 (ZWTOx) ceramics were fabricated using a conventional solid state reaction method with sintering under a nitrogen atmosphere (ZWTOx-N2) and an oxygen atmosphere (ZWTOx-O2), respectively. Colossal permittivity (ε > 104) and low loss (tan δ < 0.1) were simultaneously achieved in ZWTOx-N2 ceramics, and two types of dielectric relaxation behaviors observed were interpreted to be due to interface polarization and disassociation between oxygen vacancies and trivalent titanium ions, respectively. The impedance plots suggested that the ZWTOx-N2 ceramics are electrical heterostructures composed of semiconductor and insulator grain boundaries, which proved that the CP performance of ZWTOx-N2 ceramics almost originates from the internal barrier layer capacitance (IBLC) effect. In addition, a series of anomalous dielectric behaviors such as low permittivity and low frequency dispersion were observed for ZWTOx-O2 ceramics; polarization (P)-electric field (E) hysteresis loop curves were obtained for ZWTOx-O2 ceramics, and that impedance plots have shown that the ZWTOx-O2 ceramics display higher insulation resistivity. Density functional theory (DFT) calculations illustrated that the Zn2+-W6+ ion pairs are easy to form in ZWTOx-O2 ceramics, which causes destruction of the local lattice and thus leads to abnormal dielectric behavior. This work will provide a new strategy for defect engineering in TiO2 and other CP materials.
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