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Síntese e caracterização de cerâmicas piezoelétricas de niobato de sódio: um estudo teórico e experimental
dc.creator | Alvarenga, Jesus de Alencar Morais de | |
dc.date.accessioned | 2025-02-03T09:45:57Z | |
dc.date.available | 2025-02-03T09:45:57Z | |
dc.date.issued | 2024-07-26 | |
dc.identifier.citation | ALVARENGA, Jesus de Alencar Morais. Síntese e caracterização de cerâmicas piezoelétricas de niobato de sódio: um estudo teórico e experimental. Orientador: Sergio da Silva Cava. 2024. 101 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/14898 | |
dc.description.abstract | Sodium niobate (NN) is a promising piezoelectric composition for replacing lead zirconate titanate (PZT). Although it is known for its antiferroelectric behavior and is already used in various technological applications, the possibility of ferroelectric phases at room temperature could expand its applicability and has increased the interest of scientists and researchers in this lead-free piezoelectric compound. Based on these considerations, this work presents a systematic study of NN, combining computational simulations based on Density Functional Theory (DFT) and experimental evaluations of samples obtained by the microwave-assisted hydrothermal method. The computational part addressed all NN phases, with a primary focus on the P1m1, P21ma, and Pbcm phases present at room temperature, where the structures were analyzed based on X-ray diffraction patterns, Raman spectra, and profiles of the crystal structure. Based on piezoelectric constants, it was possible to evaluate the potential ferroelectric, antiferroelectric, or paraelectric behavior exhibited by each structure. In the experimental part, the obtained samples were characterized, pelletized, and polarized to verify the piezoelectric behavior. The computational results revealed subtle differences between the monoclinic P1m1 and orthorhombic Pbcm and P21ma phases in the diffraction patterns. In the Raman spectrum, no distinction was found between the P21ma and P1m1 models, suggesting they represent the same structure. The piezoelectric properties of the ferroelectric P21ma and P1m1 models showed nearly identical values; however, the monoclinic model displayed additional positions with non-zero constants. The R3c phase also showed non-zero values for the piezoelectric constants, suggesting that only these three structures are ferroelectric, while the others are antiferroelectric or paraelectric. The arrangement and octahedral characteristics of the Pbcm model suggest that this phase is formed by stacking two P21ma structures, overlaid and inverted by 180°, which explains the antiferroelectric behavior of the Pbcm structure. In the experimental evaluations, both thermally treated and sintered samples exhibited diffraction patterns compatible with the Pbcm or P21ma models, but without conclusively indicating which group they belong to. However, the Raman spectrum indicated that both are compatible with the orthorhombic P21ma structure. The analysis of piezoelectric behavior revealed dipolar alignment after polarization in a low-intensity electric field, confirming that the samples obtained by microwave-assisted hydrothermal synthesis are ferroelectric and compatible with the orthorhombic P21ma model. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Sem bolsa | pt_BR |
dc.language | por | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal de Pelotas | pt_BR |
dc.rights | OpenAccess | pt_BR |
dc.subject | Niobato de sódio | pt_BR |
dc.subject | Chumbo | pt_BR |
dc.subject | Piezoeletricidade | pt_BR |
dc.subject | Ferroeletricidade | pt_BR |
dc.subject | Sodium niobate | pt_BR |
dc.subject | Lead-free | pt_BR |
dc.subject | Piezoelectricity | pt_BR |
dc.subject | Ferroelectricity | pt_BR |
dc.title | Síntese e caracterização de cerâmicas piezoelétricas de niobato de sódio: um estudo teórico e experimental | pt_BR |
dc.title.alternative | Synthesis and characterization of sodium niobate piezoelectric ceramics: a theoretical and experimental study | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0009-0008-7100-1955 | pt_BR |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/6693748858559320 | pt_BR |
dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0002-0907-7739 | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/2853098230406981 | pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 | Ferrer, Mateus Meneghetti | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/6355560471517685 | pt_BR |
dc.description.resumo | O niobato de sódio (NN) é uma promissora composição piezoelétrica para substituir o titanato zirconato de chumbo (PZT). Apesar de ser conhecido por seu comportamento antiferroelétrico e já ser utilizado em diversas aplicações tecnológicas, a possibilidade de fases ferroelétricas à temperatura ambiente pode ampliar sua aplicabilidade e tem aumentado o interesse de cientistas e pesquisadores neste composto piezoelétrico sem chumbo. Baseado nestas considerações, este trabalho apresenta um estudo sistemático do NN, combinando simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e avaliações experimentais em amostras obtidas pelo método hidrotérmico assistido por micro-ondas. A parte computacional abordou todas as fases do NN, com foco principal nas fases P1m1, P21ma e Pbcm, presentes à temperatura ambiente, onde as estruturas foram analisadas com base no padrão de difração de raios-x, espectros Raman e perfis da estrutura cristalina. Com base nas constantes piezoelétricas, foi possível avaliar o possível comportamento ferroelétrico, antiferroelétrico ou paraelétrico apresentado por cada estrutura. Na parte experimental, as amostras obtidas foram caracterizadas, pastilhadas e polarizadas para a verificação do comportamento piezoelétrico. Os resultados computacionais revelaram diferenças sutis entre as fases monoclínica P1m1 e ortorrômbicas Pbcm e P21ma nos padrões de difração. No espectro Raman, não houve distinção entre os modelos P21ma e P1m1, sugerindo que se trata da mesma estrutura. As propriedades piezoelétricas dos modelos ferroelétricos P21ma e P1m1 apresentaram valores praticamente iguais, contudo, o modelo monoclínico exibiu outras posições com constantes diferentes de zero. A fase R3c também apresentou valores não nulos para as constantes piezoelétricas, sugerindo que apenas estas três estruturas são ferroelétricas, e que as demais são antiferroelétricas ou paraelétricas. O arranjo e características octaédricas do modelo Pbcm sugere que esta fase é formada pelo empilhamento de duas estruturas P21ma sobrepostas e invertidas em 180°, o que explica o comportamento antiferroelétrico da estrutura Pbcm. Nas avaliações experimentais, tanto amostras com tratamento térmico quanto amostras sinterizadas exibiram padrão de difração compatíveis com os modelos Pbcm ou P21ma, mas sem indicar conclusivamente a qual grupo pertencem. No entanto, o espectro Raman indicou que ambas são compatíveis com a estrutura ortorrômbica P21ma. A análise do comportamento piezoelétrico revelou alinhamento dipolar após polarização em campo elétrico de baixa intensidade, confirmando que as amostras obtidas por síntese hidrotérmica assistida por micro-ondas são ferroelétricas e compatíveis com o modelo ortorrômbico P21ma. | pt_BR |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFPel | pt_BR |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.rights.license | CC BY-NC-SA | pt_BR |
dc.contributor.advisor1 | Cava, Sergio da Silva | |
dc.subject.cnpq1 | ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA | pt_BR |
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