-
UNIVERSITATEA ALEXANDRU IOAN CUZA
DIN IAI
FACULTATEA DE FIZIC
LEONTIN PDURARIU
MODELE NUMERICE PENTRU DESCRIEREA PROPRIETILOR DIELECTRICE I
FEROELECTRICE
ALE SISTEMELOR COMPOZITE
TEZ PREZENTAT
N VEDEREA ACORDRII TITLULUI DE DOCTOR,
Conductor tiinific
Prof.Univ.Dr. Liliana Mitoeriu
IAI
SEPTEMBRIE 2014
-
Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iai RECTORAT
V facem cunoscut c n data de 25 septembrie 2014, ora 1100, n
sala L1, domnul Leontin Pdurariu va susine, n edin public, teza de
doctorat cu titlul:
MODELE NUMERICE PENTRU DESCRIEREA PROPRIETILOR DIELECTRICE I
FEROELECTRICE ALE
SISTEMELOR COMPOZITE
n vederea obinerii titlului tiinific de doctor n domeniul
fundamental tiine Exacte, domeniul FIZIC.
Comisia de doctorat are urmtoarea componen:
Preedinte: Prof.univ.dr. Diana Mardare, Director coala Doctoral,
Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iai Conductor tiinific:
Prof.dr. Liliana MITOERIU Facultatea de Fizic, Universitatea
Alexandru Ioan Cuza din Iai
Referent: Conf.univ.dr. Laureniu Stoleriu, Facultatea de Fizic,
Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iai
Referent: CS.I dr. Daniel Bilc, Institutul Naional de Cercetare
- Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice i Moleculare, Cluj-Napoca
Referent: Dr. Vincenzo Buscaglia, Institute for Energetics and
Interphases, Genoa, Italia
2
-
Cuprins
I. Introducere
........................................................................................................................
4 I.1 Feroelectricitatea
........................................................................................................
4 I.2 Aplicaii ale materialelor feroelectrice
......................................................................
5 I.3 Cteva probleme actuale ale materialelor feroelectrice.
Motivaia cercetrii ....... 5
II. Modele numerice pentru descrierea proprietilor feroelectrice
................................. 8
II.1 Introducere
................................................................................................................
8 II.2 Teoria Landau
...........................................................................................................
8 II.3 Modele Monte Carlo
.................................................................................................
9 II.4 Modelul
Preisach.....................................................................................................
11 II.5 Metoda Elementului Finit (FEM)
..........................................................................
12
III. Proprieti dielectrice neliniare ale compozitelor cu una din
faze feroelectric ..... 14
III.1 Introducere
............................................................................................................
14 III.2 Compozite cu fazele distribuite n mod aleatoriu
............................................... 14 III.3 Compozite
cu incluziuni feroelectrice ntr-o matrice dielectric (conectivitate
0-3)
......................................................................................................................................
16 III.4 Compozite cu conectivitate 0-3 i matrice feroelectric
..................................... 19 III.5 Compozite cu
incluziuni dielectrice columnare ntr-o matrice feroelectric
(conectivitate 1-3)
...........................................................................................................
22
IV. Modelarea proceselor de comutare n microstructuri i
nanostructuri feroelectrice particulare
...........................................................................................................................
25
IV.1
Introducere.............................................................................................................
25 IV.2 Procese de comutare n ceramici feroelectrice poroase
...................................... 25 IV.3 Fenomenul
"cross-talk" n sisteme feroelectrice de nanocondensatori
............. 27
V. Concluzii
.........................................................................................................................
31 Bibliografie
.........................................................................................................................
32 Anexe
3
-
I. Introducere I.1 Feroelectricitatea Materialele feroelectrice
sunt o subclas a materialelor dielectrice caracterizat de o
dependen neliniar a polarizaiei electrice de cmpul electric aplicat
i care prezint efecte de histerezis la o temperatur mai mic dect o
temperatur critic numit temperatur Curie (TC) [1]. Cele mai
importante proprieti ale materialelor feroelectrice sunt [2,3]:
Prezint o structur de domenii sub TC, fiecare domeniu fiind
caracterizat de o
polarizaie spontan sP . Dependena polarizaiei macroscopice de
cmpul electric aplicat prezint histerezis, adic valorile
polarizaiei la creterea/descreterea cmpului electric sunt diferite
(Fig.I.1(a)). Peste TC structura de domenii dispare, dar dependena
polarizaiei de cmpul electric rmne neliniar dei nu mai prezint
histerezis (Fig.I.1(b)).
(a) (b)
Fig.I.1 Dependena polarizaiei electrice de cmpul electric
aplicat sub TC (a) i peste TC (b)
Materialele feroelectrice sunt caracterizate de o tranziie de
faz de ordin I sau II la trecerea din starea polar (feroelectric)
la starea nepolar (paraelectric). Starea nepolar este caracterizat
de o simetrie mai mare dect cea polar a celulelor elementare.
Dependena de temperatur a unor mrimi electrice, mecanice,
optice, calorice i a parametrilor structurali prezint anomalii n
domeniul tranziiei de faz.
Permitivitatea materialelor feroelectrice prezint variaii la
modificarea cmpului electric, proprietate numit "tunabilitate".
Matematic, tunabilitatea reprezint raportul dintre permitivitatea
la cmp zero i permitivitatea la un cmp E: )(/)0( En = . Dependena (
)E poate fi histeretic sub TC (Fig.I.2(a)) i nehisteretic peste TC
(Fig.I.2(b)).
4
-
(a) (b)
Fig.I.1 Dependena permitivitii de cmpul electric aplicat sub TC
(a) i peste TC (b)
I.2 Aplicaii ale materialelor feroelectrice Materialele
feroelectrice prezint urmtoarele proprieti: capacitate de memorare
datorit structurilor de domenii comutabile la modificarea cmpului
electric, tunabilitate, permitivitate mare (peste 1000), proprieti
piezoelectrice, proprieti pyroelectrice i proprieti electrooptice.
Astfel, feroelectricii sunt materiale multifuncionale avnd un
potenial uria de utilizare n aplicaii de microelectronic. Aplicaia
cea mai des ntlnit a feroelectricilor este n realizarea de
condensatori cu capacitate foarte mare, datorit permitivitii mari a
acestora. De exemplu, materialele feroelectrice sunt utilizate pe
scar larg n dezvoltarea condensatorilor multistrat (MLCC). Un
condensator multistrat este construit astfel nct poate fi descris
ca un grup de microcondensatori de grosime foarte mic legai n
paralel. Datorit proprietilor de histerezis a polarizaiei la
creterea/descreterea cmpului electric, materialele feroelectrice
sunt folosite sub TC n memorii cu acces aleatoriu (FeRAM) [4]. Un
bit de memorie 0 sau 1 este asociat orientrii locale a unui domeniu
"up" sau "down". Pentru aplicaiile n radiofrecven sau microunde se
utilizeaz proprietatea de tunabilitate a materialelor
feroelectrice. Astfel, feroelectricii au fost propui n dezvoltarea
unor dispozitive precum: oscilatoare, defazoare, varactoare, antene
reconfigurabile etc [5]. Alte aplicaii ale feroelectricilor
utilizeaz proprietile piezoelectrice, pyroelectrice i electrooptice
ale acestora: traductoare, dispozitive n telecomunicaii, imagistic
medical, detecie bolometric etc.
I.3 Cteva probleme actuale ale materialelor feroelectrice.
Motivaia cercetrii
n ultimii ani, multe direcii de cercetare au fost deschise n
vederea realizrii unor materiale care s ndeplineasc diferite cerine
utilizate n aplicaiile menionate n seciunea precedent. Se poate
considera c marea majoritate a acestor cerine sunt derivate din
nevoia de miniaturizare a componentelor n microelectronic. Scopul
acestei teze este de a propune modele teoretice care s descrie
proprietile feroelectricilor n relaie cu proprietile
microstructurale astfel nct s poat fi utilizate pentru proiectarea
unor materiale cu proprietile dorite. n continuare vom meniona
cteva probleme actuale ale materialelor feroelectrice care vor fi
descrise mai departe pe parcursul tezei de doctorat din punct de
vedere teoretic:
5
-
1) Efecte dimensionale de granulaie n feroelectrici. Pentru a
crete capacitatea
condensatorilor multistrat cea mai bun soluie este de a reduce
grosimea microcondesatorilor. n ultimii ani aceast grosime a ajuns
la mai puin de 0.5 m [6], ceea ce a impus nevoia de a dezvolta
ceramici cu granulaii foarte fine (sub 100 nm). Un exemplu al
evoluiei distanei dintre electrozi n condesatorii multistrat din
1995 (10 m) pn n 2005 (1m) este reprezentat n Fig.I.3 [7]. Astfel,
studiul rolului dimensiunii granulelor asupra proprietilor
funcionale a devenit de foarte mare actualitate n ultimii ani
[8,9].
Fig.I.3 Evoluia condensatorilor multistrat din 1995 pn n
2005
2) Feroelectrici pentru aplicaii de tunabiliate. Cerinele n
aplicaiile de tunabilitate sunt: tunabilitate mare (n>1.5),
permitivitate moderat (cteva sute) i pierderi mici (tg
-
utilizare n electronic flexibil. Din pcate, tunabilitatea
acestor materiale este mult mai slab dect cea a feroelectricilor.
Astfel, este necesar de a gsi soluii de mbuntire a proprietilor
funcionale a polimerilor pentru aplicaii n electronic flexibil.
5) Memorii feroelectrice la nanoscal. n cazul memoriilor
feroelectrice se dorete creterea capacitii de nregistrare la
TB/inch2 ceea ce impune scrierea biilor de memorie n zone cu
dimensiuni foarte mici (civa zeci de nanometri). Recent s-a propus
o configuraie pentru realizarea unor astfel de memorii n care pe un
strat subire de Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) cu grosimea de 30 nm s-au depus
nanoelectrozi circulari de Pt cu raza de 35 nm i cu distana dintre
ei de 100 nm. Filmul feroelectric este depus pe un electrod
inferior plan supus la un potenial nul (Fig.I.4).
Fig.I.4 Sistemul de nanocondensatori propus de Alexe et. al.[10]
pentru memorii feroelectrice
Domeniile corespunztoare fiecrui nanoelectrod (biii de memorie)
pot fi comutate prin aplicarea unui tensiuni locale. Din pcate,
experimentele PFM (microscopie de for atomic n modul piezo) locale
[10,11] au art c la scrierea unui bit de memorie prin aplicarea
unui potenial pe electrodul corespunztor, i biii de memorie vecini
sunt comutai dup anumite intervale de timp (Fig.I.5). Acest fenomen
a fost numit "cross-talk" i este de nedorit n memorii feroelectrice
pentru c pare s limiteze creterea capacitii de nregistrare. O
problem actual fundamental a memoriilor feroelectrice este de a gsi
soluii de evitare a acestui fenomen la nanoscal.
Fig.I.5 Imaginile polarizaiilor locale dup aplicarea unei
tensiuni electrice pe electrodul central pentru diferite momente de
timp (i-vi) de la 0 la 500 ns
7
-
II. Modele numerice pentru descrierea proprietilor feroelectrice
II.1 Introducere n ultimii ani s-au propus mai multe modele
teoretice pentru descrierea proprietilor funcionale ale
materialelor feroelectrice la diferite lungimi de scal: modele ab
initio aplicate la nivel de celul elementar, teoria Landau i modele
Monte Carlo aplicate la nivel microscopic, modelul Preisach i
Metoda Elementului Finit (FEM) aplicate la nivel macroscopic.
Noutatea tezei de doctorat const n combinarea metodei elementului
finit cu alte modele pentru a descrie rolul particularitilor
microstructurale asupra proprietilor macroscopice. n acest capitol
sunt descrise n detaliu modelele utilizate n simulri.
II.2 Teoria Landau Teoria general Landau descrie tranziiile de
faz ale sistemelor termodinamice prin trecerea dintr-o stare de
simetrie joas ntr-o stare de simetrie nalt [12]. Aceast teorie a
fost adaptat de ctre Ginzburg [13] i Devonshire [14] pentru
materiale feroelectrice, explicnd tranziia de faz
feroelectric-paralelectric prin modificarea simetriei celulelor
elementare. Aceast teorie a fost aplicat n cadrul tezei de doctorat
pentru a descrie dependena permitivitii electrice de cmpul electric
local n starea parelectric. Conform teoriei
Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD), energia liber a unui sistem de
polarizaie P n stare paraelectric supus unui cmp electric E
este:
...61
41
21),( 6420 +++++= PPPFPETPF , (II.1)
unde , i sunt denumii coeficieni Landau i sunt dependeni de
temperatur. Minimul energetic se obine derivnd energia liber n
funcie de polarizaie i egalnd cu zero: ...53 +++= PPPE , (II.2) de
unde, se obine derivata parial a polarizaiei n funcie de cmpul
electric:
...53
142 +++
=
PPEP
. (II.3)
Permitivitatea relativ este: 42
000 5311
PPEP
or
++
=
= (II.4)
unde 0 este permitivitatea absolut a vidului. Ecuia (II.4) poate
fi rescris sub forma:
40
2 )0(5)0(31)0()(
PPP
rro
rr
++= (II.5)
unde 0/1)0( =r este permitivitatea la cmp zero. Pentru a
determina dependena permitivitii relative de cmpul electric aplicat
se rezolv sistemul de equaii (II.2) i (II.5) prin metode numerice.
Un exemplu al dependenei permitivitii relative n funcie de cmpul
electric este reprezentat n Fig. II.1. Parametrii , i au fost alei
astfel nct tunabilitea relativ ( ))()0(/()0(100)( EEn rrrr = ) este
de 40% la un cmp de 20 kV/cm.
8
-
0 5 10 15 20 25 30400
500
600
700
800
900
1000
Diel
ectri
c co
nsta
nt
Applied electric field (kV/cm)
LGD theory
Johnson's equation
Fig. II.1 Dependena permitivitii de cmpul electric calculat prin
dou metode: LGD i ecuaia
Johnson Avnd n vedere dificulatea de a rezolva numeric sistemul
de ecuaii (II.2) i (II.5), Johnson [15] a propus o ecuaie
simplificat pentru descrierea dependenei permitivitii de cmpul
electric:
3/1230
3 ))0(31()0()(
EE
rnonlin
rr
+
= , (II.6)
unde )0(r este permitivitatea la cmp zero, E este cmpul electric
aplicat, 0 este permitivitatea absolut a vidului, i nonlin este un
parametru de neliniaritate diferit de
parametrul din teoria LGD. O astfel de dependen este reprezentat
n Fig. II.1, unde, din nou, parametrul nonlin a fost astfel ales
nct tunabilitatea relativ la un cmp de 20 kV/cm este de 40%.
Datorit simplitii sale n comparaie cu teoria LGD, ecuaia Johnson a
fost acceptat de majoritatea autorilor pentru descrierea dependenei
permitivitii de cmpul electric n starea paraelectric a materialelor
feroelectrice. II.3 Modele Monte Carlo Sub temperatura Curie,
descrierea proprietilor funcionale a materialelor feroelectrice
devine mult mai dificil prin modele de tip LGD deoarece structura
de domenii joac un rol foarte important. Modele Monte Carlo sunt
mult mai potrivite s descrie starea feroelectric pentru c in cont
de structura de domenii. n continuare vom prezenta modelul Ising
care a fost utilizat n cadrul tezei de doctorat pentru a descrie
procese de comutare n sisteme feroelectrice de nanocondensatori.
Iniial, modelul Ising a fost propus pentru a descrie materialele
feromagentice, dar apoi a fost adaptat pentru descrierea
materialelor feroelectrice [16]. Un sistem Ising 2D este format
dintr-o reea de N dipoli cu starea "up" sau "down" i polarizaii:
1=ip unde Ni ,1= . Hamiltonianul unui astfel de sistem este:
=ji i
iextjiij pEppJH . (II.7)
Primul termen se datoreaz interaciunii dintre dipoli: ijJ este
constanta de interaciune dintre dipolii i i j. Al doilea termen
reprezint energia de interaciune dintre dipoli i cmpul
9
-
electric exterior extE . n modelul Ising, fiecare dipol este
ales n mod aleatoriu, iar posibilitatea de schimbare a orientrii
acestuia este acceptat cu probabilitatea:
=
TkH
B
ii expProb , (II.8)
unde Bk este constanta lui Boltzman, T este temperatura, iH este
diferena de energie corespunztoare celor dou stri posibile ale
dipolului i:
+=ij
iextjiiji PEppJH 22 (II.9)
Timpul elementar n simulrile Monte Carlo este definit ca pas
Monte Carlo (MCS) i reprezint timpul n care N dipoli sunt
verificai. Pentru a descrie un ciclu de histerezis, se consider
iniial c dipolii sunt orientai n mod aleatoriu, iar pentru cmpul
exterior se consider: o cretere liniar de la 0 la maxE pentru a
descrie curba de prim polarizare, o scdere de la maxE la maxE
pentru a descrie curba corespunztoare comutrii din starea "up" n
starea "down" i o cretere de la maxE la maxE pentru descrierea
comutrii din starea "down" n starea "up". n Fig. II.2 sunt
reprezentate un ciclul de histerezis simulat prin metoda Monte
Carlo i imaginile dipolilor n timpul comutrii din starea "up" n
starea "down".
Fig. II.2 Ciclu de histerezis descris de modelul Ising i
imaginile corespunztoare ale dipolilor (galben-
up i maro-down) n timpul comutrii din starea "up" n starea
"down"
10
-
n general, forma ciclurilor de histerezis n modele Monte Carlo
este rectangular, un astfel de model neputnd descrie n mod precis
curbe minore de histerezis n ceramici la nivel microscopic (mult
mai mare dect dimensiunea medie a domeniilor). Cu toate acestea, un
ciclu de histerezis descris de un astfel de model poate fi atribuit
unui histeron n alte modele macroscopice de histerezis precum
modelul Preisach care va fi descris n continuare. II.4 Modelul
Preisach n cazul sistemelor de mari dimensiuni, curbele de
histerezis sunt dificil de descris cu modele Monte Carlo datorit
limitrilor computaionale. De fapt, pentru sisteme mari (cu
dimensiuni de zeci de micrometri), distribuia coercitivitilor
locale este mult mai important dect structura de domenii. Modelul
Preisach consider un sistem feroelectric ca fiind compus dintr-o
infinitate de uniti histeretice numite histeroni. Astfel, modelul
Preisach este mult mai potrivit pentru a descrie procese de
comutare n feroelectrici n form masiv. Fiecare histeron este
caracterizat de un ciclu de histerezis rectangular cu polarizaie
constant ca valoare absolut, dar comutabil la dou valori diferite
ale cmpului electric:
E - din down n up i E - din up n down (Fig. II.3(a)). Datorit
valorilor diferite ale cmpurilor coercitive, histeronii pot fi
reprezentai ca distribuii ntr-un sistem cu axele
E and E (Fig.II.3(b)) numit plan Preisach. Mrimea dEdEEEpirrev
),( reprezint polarizaia total a histeronilor cu cmpul de comutare
din down n up n intervalul ( E , dEE + ) i cu cmpul de comutare din
up n down n intervalul ( E , dEE + ). Marea majoritate a
feroelectricilor, au cicluri de histerezis simetrice din punct de
vedere al celor dou cmpuri coercitive, care sunt egale n modul. Din
aceast cauz, marea majoritate a histeronilor sunt localizai n jurul
bisectoarei a doua n cadranul patru al planului Preisach. Pe lng
aceast component ireversibil, materialele feroelectrice sunt
caracterizate i de o component reversabil care este format din
histeroni cu cele dou cmpuri de comutare identice. Astfel,
histeronii corespunztori componentei reversibile sunt localizai n
jurul primei bisectoare n planul Preisach. Mrimea dEEprev )(
reprezint polarizaia total a histeronilor cu cmpul de comutare ntre
E i dEE + .
(a) (b) (c)
Fig. II.3 Histeronii reversibili i ireversibili din planul
Preisach (a) i distribuiile corespunztoare: (b) componenta
ireversibil i (c) componenta reversibil
11
- Pentru a calcula cicluri de histerezis majore i minore prin
modelul Preisach, se consider orientri diferite ale histeronilor.
De exemplu, n cazul unui histeron cu cmpurile coercitive E i E i
supus unui cmp E , orientarea acestuia este up dac EE > , down
dac EE < sau rmne neschimbat fa de starea iniial dac EEE
-
a defectelor. O clas special de materiale n care neomogenitatea
cmpului electric joac un rol foarte important este reprezentat de
materialele compozite n care fazele constituente au diferene mari
ntre valorile permitivitilor. n aceste condiii, modelele anterioare
nu descriu corect materialele compozite din punct de vedere
macroscopic i pot fi aplicate doar microscopic pe elemente foarte
mici pentru care cmpul electric local poate fi aproximat ca fiind
omogen. Cea mai bun metod de a calcula cmpurile electrice locale
este Metoda Elementului Finit (FEM) pentru rezolvarea ecuaiei
Laplace: 0))()(( = rVr , (II.13) unde )(rV reprezint potenialul
local i )(r permitivitatea local n poziia r . n simulri se ine cont
de condiiile la limit Neumann i Dirichlet ntr-o configuraie de
condensator cu plci plan paralele reprezentat n Fig. II.5.
Fig.II.5 Condiii la limit ntr-un condesator cu plci
plan-paralele
n FEM 3D, sistemul este divizat n tetraedre de dimensiuni foarte
mici pentru care se calculeaz cmpurile electrice locale din
poteniale, ( gradVE = ) iar permitivitatea efectiv se obine din
energia total calculat ca suma energiilor locale pe elemente:
eNe
e
eet
eff EdV
=
=
1
22
22 (II.14)
unde V este tensiunea aplicat sistemului virtual, d este distana
dintre electrozi, t este volumul total al sistemului Ne este numrul
de elemente, iar e , e
E i e sunt permitivitatea local, cmpul electric local i volumul
corespunztoare elementului e. Punctul forte al FEM este c poate s
descrie oricare tip de material compozit cu proprieti
microstructurale particulare. n cadrul tezei de doctorat, FEM a
fost utilizat pentru a calcula neomogenitatea cmpurilor electrice
locale n materiale compozite sau materiale feroelectrice cu condiii
la limit particulare [18-23]. FEM a fost combinat cu teoria Landau
pentru a descrie proprietile dielectrice neliniare n materialele
compozite cu una din faze feroelectric; cu modelul Preisach pentru
a descrie procesele de comutare n ceramici feroelectrice care
prezint macroporozitate; i cu modelul Monte Carlo pentru a descrie
fenomenul "cross-talk" n sisteme feroelectrice de
nanocondensatori.
13
-
III. Proprieti dielectrice neliniare ale compozitelor cu una din
faze feroelectric
III.1 Introducere n Capitolul III s-a studiat rolul
caracteristicilor microstructurale n compozite
feroelectric/dielectric cu configuraii diferite asupra proprietilor
de tunabilitate i s-au comparat cu rezultatele exerimentale
raportate n literatur sau obinute n timpul tezei. Pentru a realiza
acest studiu s-a dezvoltat o procedur special FEM n care s-a
considerat o dependen de tip Johnson a permitivitilor locale de
cmpurile electrice locale pentru faza neliniar i o permitivitate
constant pentru faza liniar indiferent de cmpul electric
aplicat:
=liniar fazapentru ,
icferoelectr fazapentru , )),,((),,(
lin
localnonlin zyxEzyx
(III.1)
Rezultatele principale obinute sunt prezentate n continuare n
funcie de tipul de conectivitate. Conectivitatea m-n reprezint
numrul de conexiuni proprii ale fazelor pe cele trei direcii.
III.2 Compozite cu fazele distribuite n mod aleatoriu Primul tip
de material compozit studiat este cel n care cele dou faze sunt
distribuite n mod aleatoriu. Studiul acestui tip de compozite a
fost necesar deoarece acesta este tipul cel mai des ntlnit n
literatur [24]. n prima parte a acestui subcapitol am studiat rolul
fazei dielectrice liniare asupra proprietilor de tunabilitate.
Pentru aceasta, s-au realizat simulri n care pentru aceeai
microstructur cu 50% feroelectric i 50% dielectric i fazele
distribuite n mod aleatoriu s-a variat permitivitatea fazei liniare
n intervalul 2001=lin . n Fig. III.1 sunt reprezentate cteva
imagini ale cmpurilor electrice locale simulate la cmp mic ( kV/cm
1=aplicatE ) pentru 10=lin i 100=lin . Pentru faza feroelectric
s-a
considerat o permitivitate la cmp zero 1000)0( =nonlin .
(a) (b) (c)
Fig. III.1 Imagini ale cmpurilor electrice locale calculate
pentru aceeai microstructur (a) i pentru diferite valori ale
permitivitii fazei dielectrice liniare: (b) 10 i (c) 100.
Componenta feroelectric
este reprezentat cu culoarea maro, iar cea dielectric liniar
este reprezentat cu culoarea gri. Intensitatea cmpurilor locale n
imaginile de cmpuri este reprezentat n cod de culori.
14
-
Din imaginile cmpurilor electrice locale se poate observa c pe
faza cu permitivitate mai mic se localizeaz un cmp electric mai
mare, n timp ce cmpul mediu localizat pe componenta feroelectric
este mai mic dect cel aplicat. n plus, cmpurile electrice sunt
neomogene chiar n interiorul unei singure componente, iar aceast
neomegenitate crete odat cu scderea lui lin . Aceste rezultate
justific nevoia de a aborda aceast problem prin FEM. Simulrile
realizate pentru determinarea proprietilor de tunabiliate (Fig.
III.2) au artat c odat cu scderea permitivitii fazei dielectrice
liniare, permitivitatea efectiv descrete continuu n timp ce
tunabilitatea crete spre valori comparabile cu cele ale
feroelectricului unifazic. Prin urmare, cele mai bune rezultate
s-au obinut n cazul materialelor poroase. Aceste calcule arat c
porozitatea poate fi un factor benefic n aplicaii de tunabilitate,
dei, pentru mult timp, s-a considerat c este de nedorit n cazul
electroceramicilor.
0 5 10 15 20 25 30100200300400500600700800900
1000 lin=60 lin=30 lin=10 lin=1
Effe
ctiv
e pe
rmitt
ivity
Applied electric field (kV/cm)
dense lin=200 lin=100
0 5 10 15 20 25 30
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2 lin=10 lin=1
dense lin=200 lin=100 lin=60 lin=30
Tuna
bilit
y
Applied electric field (kV/cm) (a) (b)
Fig. III.2 Dependenele permitivitilor i a tunabilitilor de cmpul
electric aplicat calculate pentru valori diferite ale permitivitii
fazei dielectrice liniare n intervalul (1,200)
Rezultatele reprezentate n Fig. II.2 arat c pentru a obine
proprieti de tunabiliate bune este necesar ca ordinul de mrime al
permitivitilor celor dou faze s varieze de cteva ori. Recent, am
propus realizarea de materiale poroase pentru aplicaii de
tunabilitate [19], iar rezultatele au fost confirmate n cazul
ceramicilor poroase de PZTN. Cu toate acestea, este dificil de
realizat materiale poroase cu poroziti mai mari dect 40% din cauza
limitrilor mecanice. Pentru a realiza materiale compozite cu
concentraii foarte mari ale fazei dielectrice liniare, muli autori
au propus MgO ( 10=lin ) ca i component dielectric liniar [25-27].
n continuare am utilizat aceast valoare numeric n simulri. n a doua
parte a acestui subcapitol s-a studiat rolul concentraiei
componentei dielectrice asupra proprietilor de tunabiliate. n Fig.
III.3 sunt reprezentate imaginile cmpurilor electrice locale
calculate la cmp mic pentru microstructuri diferite cu fazele
distribuite n mod aleatoriu i cu diferite concentraii ale
componentei liniare (0%, 30% i 60%). Dac n cazul materialelor
feroelectrice unifazice (concentraia componentei dielectrice de 0%)
cmpurile electrice locale sunt omogene, n cazul compozitelor
cmpurile electrice locale prezint o neomogenitate mare. n plus,
cmpul mediu localizat pe componenta neliniar scade odat cu creterea
concentraiei componentei liniare, cea ce explic faptul c, n astfel
de compozite, pe lng descreterea permitivitii efective se obine i o
diminuare a tunabilitii. (Fig. III.4)
15
-
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Fig. III.3 Microstructuri generate cu concentraii diferite a
componentei dielectrice liniare: (a) 0%, (b) 30% i (c) 60% i
imaginile cmpurilor electrice corespunztoare (d-f)
0 20 40 60 80 1000
200
400
600
800
1000
eff a
t 0 k
V/cm
Linear phase concentration (%) 0 20 40 60 80 100
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
Tuna
bilit
y at
30
kV/c
m
Linear phase concentration (%) (a) (b)
Fig. III.4 Dependenele permitivitilor efective calculate la un
cmp de 0 kV/cm i a tunabilitilor la un cmp de 30 kV/cm n funcie de
concentraia fazei dielectrice liniare
Aceste calcule demonstreaz c lipsa controlului microstructurii
duce la o diminuare a tunabilitii n astfel de compozite. III.3
Compozite cu incluziuni feroelectrice ntr-o matrice dielectric
(conectivitate 0-3) Un tip de configuraie de compozit
feroelectric/dielectric liniar propus des n aplicaii de stocare de
energie i electronic flexibil [28] este cel cu conectivitate 0-3 i
cu faza feroelectric inclus ntr-o matrice dielectric. Pentru a
studia acest tip de compozit s-au
16
-
generat microstructuri cu incluziuni feroelectrice sferice
pentru care s-au calculat proprietile de tunabilitate la
concentraii diferite ale componetei feroelectrice. n Fig. III.5
s-au reprezentat imaginile cmpurilor electrice determinate la cmp
mic pentru concentraii diferite ale componentei feroelectrice: 20%,
30% i 40%. Aceste imagini demonstreaz c n aceast configuraie
componenta feroelectric este supus unui cmp local aproape nul.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Fig. III.5 Microstructuri cu incluziuni feroelectrice sferice
ntr-o matrice liniar i concentraii diferite ale componentei
feroelectrice: (a) 20%, (b) 30% i (c) 40% i imaginile
corespunztoare ale cmpurilor
electrice locale (d-f)
0 5 10 15 20 25 301015202530354045
50% ferroectric
40% ferroectric
30% ferroectric
20% ferroectric
Effe
ctiv
e pe
rmitt
ivity
Applied electric field (kV/cm)
10% ferroectric
Fig. III.6 Permitivitatea efectiv vs. cmpul electric aplicat
pentru concentraii diferite ale componentei
feroelectrice
Simulrile dependenei permitivitii efective de cmpul electric
aplicat (Fig. III.6) arat c materialele n aceast configuraie sunt
caracterizate de o lips a tunabilitii chiar
17
-
pentru concentraii foarte mari ale componentei feroelectrice.
Astfel, acest tip de materiale nu este potrivit pentru aplicaii de
tunabiliate. n configuraia 0-3 permitivitatea efectiv este foarte
apropiat de cea a fazei dielectrice, deoarece cmpul electric
localizat pe faza feroelectric tinde spre zero. Rezultatele arat c
este imposibil ca n aceast configuraie s se obin permitiviti foarte
mari dac matricea are o permitivitate foarte mic. Cu toate acestea,
dac se alege ca matrice un material liniar cu permitivitate mare,
configuraia 0-3 poate fi utilizat n aplicaii de stocare de energie.
De exemplu, simulrile au artat c n cazul compozitelor cu incluziuni
de BaZr0.15Ti0.85O3 (BZT) ( 410)0( =nonlin ) [29] ntr-o matrice de
SrTiO3 ( 300=lin ) [30], odat cu creterea concentraiei de BZT
permitivitatea efectiv poate fi crescut spre 1000, n timp ce
tunabilitatea este meninut la valori foarte mici. Un caz particular
al acestei configuraii l reprezint ceramicile feroelectrice
nanostructurate care pot fi considerate compozite cu granule
feroelectrice nconjurate de granie neferoelectrice cu permitivitate
mic. Pentru a realiza acest studiu s-au generat ceramici virtuale
3D prin modelul Potts [31], cu dimensiunea granulelor (GS) diferit
de la 95 a.u. la 10 a.u. i cu granie cu grosimea de 2 a.u. n
simulri s-au folosit valorile numerice
1000)0( =nonlin pentru granule i 100=lin pentru granie.
Imaginile cmpurilor electrice determinate pentru un monocristal i
pentru ceramici cu dimensiuni de granule de 95 a.u. i 25 a.u. sunt
reprezentate n Fig. III.7.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Fig. III.7 Ceramici virtuale cu dimensiuni de granule diferite:
(a) GS=, (b) GS=95 a.u. i (c) GS=25 a.u. i imaginile cmpurilor
electrice corespunztoare (d-f). Liniile negre sunt
echipoteniale
18
-
Analiznd imaginile cmpurilor electrice, se observ c n cazul unui
monocristal (GS=) cmpurile locale sunt omogene, n timp ce pentru
ceramici cu dimensiuni de granule mari (GS=95 a.u.) acestea pot fi
aproximate ca fiind omogene. n schimb, n cazul ceramicilor cu
granulaii fine se observ o neomogenitate foarte mare a cmpurilor
locale. n plus, cmpul mediu localizat n interiorul granulelor scade
semnificativ odat cu scderea dimensiunii medii a granulelor. Rolul
dimensiunii granulelor asupra dependenei permitivitii efective de
cmpul electric aplicat este reprezentat n Fig. III.8(a). Se observ
c scderea dimensiunii granulelor induce o scdere continu a
permitivitii efective precum i o liniarizare de dependenei )(Eeff i
o deplasare a punctului de inflexiune spre valori mai mari a
cmpului electric aplicat. Pentru granulaii foarte fine (GS=10)
dependena
)(Eeff devine foarte apropiat de cazurile extreme reprezentate n
Fig. III.6. Aceste calcule arat c efectele dimensionale au un rol
important n proprietile funcionale ale electroceramicilor, iar
scderea dimensiunii granulelor poate fi nefavorabil pentru aplicaii
de tunabiliate dac nu este este nsoit i de o diminuarea a grosimii
granielor.
(a) (b)
Fig. III.8 Permitivitatea efectiv vs. cmpul electric aplicat n
funcie de GS: (a) rezultatele simulrilor (b) rezultate
experiementale obinute n cazul ceramicilor nanostructurate de
BaTiO3 cu dimensiuni de
granule de la 5 m la 100 nm Toate modificrile proprietilor de
tunabilitate prezise de ctre simulri la scderea GS n ceramici au
fost confirmate experimental n cazul ceramicilor nanostructurate de
BaTiO3 cu dimensiuni de granule de la 5 m la 100 nm [18]: o scdere
a permitivitii efective de la 5000 la 1000 i o liniarizare a
dependenei )(Eeff . III.4 Compozite cu conectivitate 0-3 i matrice
feroelectric Dup cum s-a artat in seciunea precedent, cazul n care
matricea este un dielectric liniar cu permitivitate mic, iar
componenta feroelectric este inclus n aceast matrice este
nefavorabil pentru aplicaii de tunabiliate. n continuare s-a
analizat configuraia n care matricea prezint proprieti dielectrice
neliniare n dou situaii: cazul incluziunilor cu permitivitate mic (
10=lin ) i cazul incluziunilor cu permitivitate infinit
(incluziuni
19
-
conductoare). n Fig. III.9 s-au reprezentat imaginile cmpurilor
electrice locale calculate n cele dou situaii.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
Fig. III.9 Microstructuri cu matrice feroelectric cu concentraii
diferite: (a) 20%, (b) 30% i (c) 40% i imaginile cmpurilor
electrice locale calculate n dou cazuri: cazul incluziunilor cu
permitivitate mic
(d-f) i cazul incluziunilor cu permitivitate infinit (g-i) n
cazul n care incluziunile sunt caracterizate de o permitivitate
mic, se observ c componenta feroelectric este supus unui cmp mediu
suficient de mare pentru a asigura proprieti de tunabilitate bune.
Acest caz este opusul cazului reprezentat in Fig. III.5 i Fig.
III.6. Simulrile dependenelor permitivitii efective de cmpul
electric aplicat arat c permitivitatea efectiv este redus de la
1000 la 400 odat cu creterea concentraiei incluziunile de la 0% la
50%, n timp ce tunabiltatea la 30 kV/cm scade cu mai puin de 3%
(Fig. III.10). Prin urmare, se pot propune compozite preparate prin
metode chimice avansate, metoda miez-nveli, pentru aplicaii de
tunabilitate.
20
-
0 5 10 15 20 25 30200300400500600700800900
1000Ef
fect
ive
perm
ittiv
ity
Applied electric field (kV/cm)
0 % 10% 20% 30% 40% 50%
(a) (b)
Fig. III.10 Dependenele permitivitii efective (a) i a
tunabilitii (b) de cmpul aplicat pentru concentraii diferite a
incluziunilor dielectrice
Dac incluziunile sunt conductoare ( =lin ) i sunt izolate
complet n faza feroelectric, (Fig. III.9(g-i)) se observ o
intensificare a cmpurilor locale pe componenta feroelectric.
Simulrile proprietilor de tunabilitate au artat c odat cu creterea
concentraiei incluziunilor de la 0% la 50% se obine o cretere
continu a permitivitii efective de la 1000 la 3000, dar i a
tunabilitii la un cmp de 20 kV/cm de la 1.7 la 3. (Fig. III.11)
0 5 10 15 20500
1000
1500
2000
2500
3000
Effe
ctiv
e pe
rmitt
ivity
Applied electric field (kV/cm)
0% 10% 20% 30% 40%
0 5 10 15 20
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0 0% 10% 20% 30% 40%
Tuna
bilit
y
Applied electric field (kV/cm) (a) (b)
Fig. III.11 Dependenele permitivitii (a) i a tunabilitii (b) de
cmpul electric aplicat pentru concentraii diferite ale
incluziunilor conductoare n matricea feroelectric
Aceast configuraie nu respect condiia de permitivitate moderat
cerut n aplicaii de tunabilitate. Cu toate acestea, plecnd de la
aceast idee, se pot dezvolta materiale noi formate din dielectric
polari, precum unii polimeri, pentru aplicaii n electronica
flexibil. n general dielectricii polari n stare unifazic prezint
tunabiliti mult mai slabe dect a feroelectricilor, dar tunabiliatea
acestora ar putea fi mbuntit prin adiia de particule conductoare.
Prediciile modelului au fost confirmate n cazul compozitelor cu
matrice de chitosan i nanoparticule de aur ca incluziuni [20].
Rezultatele experimentale au artat o cretere a tunabilitii de la 2
la 2.3 la aplicarea unui cmp de 500 kV/cm odat cu creterea
concentraiei de aur de la 0% la 2.5%.
21
-
III.5 Compozite cu incluziuni dielectrice columnare ntr-o
matrice feroelectric (conectivitate 1-3) Un alt tip de compozit
utilizat des n literatur pentru aplicaii de tunabilitate este cel n
care componenta dielectric este inclus n cea feroelectric cu o
conectivitate de tip 1-3. De obicei, aceste compozite au fost
analizate n configuraia n care incluziunile sunt orientate paralel
cu direcia cmpului electric aplicat. Deoarece acest tip de
compozite prezint anizotropie, este de asemenea interesant s
analizm i cazul n care incluziunile dielectrice sunt orientate
perpendicular pe direcia cmpului electric aplicat. n acest capitol
s-au studiat proprietile dielectrice neliniare ale compozitelor cu
conectivitate 1-3 n ambele configuraii. n cazul n care incluziunile
sunt orientate cu axa lung paralel cu direcia cmpului electric
aplicat, cmpurile electrice locale rmn omogene chiar pentru
concentraii mari ale componentei dielectrice. Acest lucru se
datoreaz faptului c interfeele dielectric/feroelectric sunt
tangeniale la liniile de cmp i nu produc distorsiuni ale acestora.
Imaginea cmpurilor electrice locale pentru o concentraie de 50% a
componentei dielectrice este reprezentat n Fig. III.12.
(a) (b)
Fig. III.12 Imaginea cmpurilor locale pentru o configuraie cu
conectivitate 1-3 i incluziuni dielectrice verticale pentru o
concentraie a componentei dielectrice de 50%
0 5 10 15 20 25 30200300400500600700800900
1000 0 % 10% 20%
Effe
ctiv
e pe
rmitt
ivity
Applied electric field (kV/cm)
30% 40% 50% 60%
0 5 10 15 20 25 301,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2 0 % 10% 20% 30% 40% 50% 60%Tu
nabi
lity
Applied electric field (kV/cm) (a) (b)
Fig. III.13 Dependenele permitivitii efective (a) i a
tunabilitii (b) de cmpul electric aplicat pentru concentraii
diferite ale componentei dielectrice n configuraii 1-3 cu
incluziuni dielectrice orientate
paralel cu direcia cmpului electric aplicat
22
-
Permitivitatea efectiv prezint o descretere liniar cu creterea
concentraiei fazei dielectrice, n timp ce tunabilitate rmne aproape
neschimbat. (Fig. III.13) Aceste rezultate au fost confirmate i
experimental n cazul compozitelor columnare cu (BaSr)TiO3 ca i
component neliniar i diferite incluziuni dielectrice cu
permitivitate mic: Epoxy, MgO i Mg2TiO4 [32-34]. Dei aceast
configuraie pare promitoare pentru aplicaiile de tunabilitate, este
important de menionat c dintre toate tipurile de compozite
feroelectric/dielectric liniar, acesta prezint permitivitatea cea
mai mare. n cazul n care incluziunile sunt orientate cu axa lung
perpendicular pe direcia cmpului aplicat, cmpurile electrice locale
prezint o neomogenitate puternic. (Fig. III.14) n acest caz cmpul
mediu localizat pe componenta feroelectric este suficient de mic ca
s asigure o scdere puternic a energii totale stocate i a
permitivitii efective, dar se observ i prezena unor zone care nc
sunt supuse unor cmpuri locale mari asigurnd tunabiliti mari.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Fig. III.14 Imaginile cmpurilor electrice locale (d-f) simulate
pentru microstructuri n configuraie 1-3 i incluziuni dielectrice
orientate perpendicular pe direcia cmpului electric pentru
concentraii diferite
ale componentei dielectrice: 20% (a), 30% (b) i 40% (c)
Permitivitatea efectiv prezint o descretere puternic o dat cu
creterea concentraiei fazei dielectrice, comparabil cu cea obinut n
cazul compozitelor cu fazele distribuite n mod aleatoriu. (Fig.
III.15) n plus, tunabilitatea este meninut la valori chiar mai mari
dectcea nregistrat n cazul componentei feroelectrice unifazice,
chiar pentru valori mari ale concentraiei componentei dielectrice
(50%). Chiar dac asamblarea fazelor ntr-o configuraie 1-3 este
destul de dificil prin metodele tradiionale de procesare, simulrile
arat c materialele cu aceast configuraie sunt promitoare pentru
aplicaii de tunabilitate i merit a fi preparate prin metode
23
-
inovative. Un parametru adiional pentru controlul permitivitii
efective este anizotropia incluziunilor: permitiviti mai mari
pentru incluziuni orientate n direcia cmpului aplicat i mai mici
pentru incluziuni perpendiculare pe direcia cmpului aplicat. Acest
trend a fost confirmat n cazul ceramicilor poroase anizotrope de
PZTN cu pori alungii [19], chiar dac nu a fost controlat n
totalitate conectivitatea de tip1-3.
0 5 10 15 20 25 30100200300400500600700800900
1000 0 % 10% 20%
Effe
ctiv
e pe
rmitt
ivity
Applied electric field (kV/cm)
30% 40% 50% 60%
(a) (b)
Fig. III.15 Permitivitatea efectiv (a) i tunabilitatea (b) n
funcie de cmpul electric aplicat pentru concentraii diferite ale
componentei dielectrice n compozite 1-3 cu incluziuni
dielectrice
perpendiculare pe direcia cmpului electric aplicat
n concluzie, n acest capitol s-a studiat rolul caracteristicilor
microstructurale ale compozitelor difazice cu o faz feroelectric i
a faz dielectric liniar cu permitivitate mic asupra proprietilor
dielectrice neliniare. n Tabelul III.1 s-au reprezentat valorile
permitivitilor efective la cmp zero i a tunabilitii la 30 kV/cm
pentru toate configuraiile studiate n acest capitol la aceeai
concentraie a fazelor constituente: 50%-feroelectric i
50%-dielectric. Dintre toate configuraiile cea mai promitoare
pentru aplicaii de tunabilitate pare cea cu conectivitate 1-3 cu
incluziunile dielectrice orientate pe direcia cmpului electric
aplicat deoarece prezint o permitivitate efectiv mic (~324) i o
tunabilitate mai mare dect a feroelectricului unifazic.
Tabel 1 Rezultate ale simulrilor obinute pentru aceeai
concentraie a fazelor constituente (50%-feroelectric,
50%-dielectric) n microstructuri diferite
Tipul de compozit Permitivitatea efectiv la cmp zero
Tunabilitatea absolut la 30 kV/cm
Material feroelectric unifazic 1000 2.15
Compozite cu fazele distribuite n mod aleatoriu 315 2.01
Conectivitate 0-3 cu incluziuni feroelectrice 41 1.01
Conectivitate 0-3 cu incluziuni dielectrice 407 2.09
Conectivitate 1-3 cu incluziuni dielectrice orientate paralel cu
direcia cmpului aplicat
505 2.13
Conectivitate 1-3 cu incluziuni dielectrice orientate
perpendicular pe direcia cmpului
aplicat
324 2.22
24
-
IV. Modelarea proceselor de comutare n microstructuri i
nanostructuri feroelectrice particulare
IV.1 Introducere Acest capitol este dedicat studiului proceselor
de comutare n cteva microstructuri i nanostructuri particulare. Ca
i n capitolul precedent metoda elementului finit este utilizat
pentru calculul cmpurilor electrice locale i a fost combinat cu
diverse modele ce descriu procesele de comutare i n care
distribuiile cmpurilor local calculate prin FEM sunt utilizate ca
input. Cele mai importante rezultate sunt prezentate n continuare.
IV.2 Procese de comutare n ceramici feroelectrice poroase Pentru a
descrie rolul porozitii asupra proprietilor de comutare n ceramici
poroase cu dimensiunea porilor de zeci de nanometri, am propus un
model complex n care modelul Preisach este aplicat local pentru
elemente foarte mici, dup estimarea cmpurilor electrice locale prin
metoda elementului finit [35]. Ca prim pas, s-au generat cteva
structuri poroase cu cele dou faze (o component feroelectric i
cealalt aer) distribuite n mod aleatoriu ca cele reprezentate n
Fig. III.3 i s-au calculat cmpurile electrice considernd
permitivitile locale: 1000=icferoelectr i
1=aer . Pentru fiecare element e s-a evaluat raportul dintre
proiecia cmpului electric local pe direcia cmpului aplicat i cmpul
aplicat:
aplicat
eze E
E= (IV.1)
Acest parametru se numete cmp relativ i include factorii
depolarizani datorai microstructurii. n Fig. IV.1 sunt reprezentate
distribuiile coeficienilor e calculate prin FEM pentru structuri
poroase cu poroziti diferite de la 0% la 40%. Distribuia )( ez se
definete ca raportul dintre volumul elementelor caracterizate de un
cmp relativ ntre e i
de + i produsul tVd , unde tV este volumul total al
sistemului.
(a) (b) (c)
Fig. IV.1 Distribuiile cmpurilor relative calculate pentru
diferite poroziti: (a) 0%, (b) 20% i (c) 40%
Se observ c dac n cazul unui feroelectric dens avem o distribuie
Dirac a cmpurilor locale, un feroelectric cu o prozitate relativ
mic (20%) este caracterizat de o
25
-
distribuie gaussian a cmpurilor locale. Distribuia cmpurilor
locale devine log-normal n cazul porozitilor mari (40%). n aceste
condiii, modelul Preisach nu mai poate fi aplicat macroscopic, ci
doar pe elemente. Astfel, pentru a calcula ciclurile de histerezis,
se utilizeaz ecuaiile (II.10) i (II.11) pentru fiecare element innd
cont de factorii depolarizani estimai prin FEM:
= poripentru 0bulkpentru )E E,(
),( maxeemaxdownup
eP
EEP (IV.2)
pentru curba corespunztoare comutrii din starea up n starea
down, i:
= poripentru 0bulkpentru )E E,(
),( maxeemaxupdown
eP
EEP (IV.3)
pentru curba corespunztoare comutrii din starea down n starea
up. Polarizaia macroscopic este o medie a polarizaiilor locale:
t
N
eee
total V
VEEPEEP
e
== 1
max
max
),(),( , (IV.4)
unde eN este numrul de elemente, tV este volumul total al
sistemului, iar eV este volumul elementului e. n Fig. IV.2(a) s-au
reprezentat ciclurile de histerezis simulate pentru poroziti
diferite. Cele mai importante modificri introduse de porozitate
asupra ciclurilor de histerezis sunt: o descretere neliniar a
polarizaiilor de saturaie i remanent, o scdere a ariei ciclului de
histerezis, i o modificare a ciclului de histerezis de la o form
rectangular spre una mai nclinat.
(a) (b)
Fig. IV.2 Cicluri de histerezis pentru diferite poroziti: (a)
rezultate teoretice; (b) rezultate experimentale obinute n cazul
ceramicilor poroase de PZTN
Modificrile induse de porozitate prezise de modelul Preisach-FEM
au fost confirmate experimental pentru un set de ceramicile poroase
de PZTN cu poroziti de 5%, 20%, 25% i 30%. (Fig. IV.2(b)) n cadrul
tezei de doctorat s-au studiat i modificrile distribuiilor FORC
induse de porozitate. Modelul Preisach-FEM a reuit s explice
lrgirea distribuiilor FORC observate la creterea porozitii n
ceramicile poroase de PZTN.
26
-
IV.3 Fenomenul "cross-talk" n sisteme feroelectrice de
nanocondensatori Comutarea elementelor individuale ntr-o reea de
nanocapacitori este considerat o soluie promitoare pentru a crete
capacitatea de nregistrare a memoriilor feroelectrice spre
1TB/inch2, dar experimentele au artat apariia fenomenului de
"cross-talk" n astfel e structuri. "Cross-talk" reprezint fenomenul
n care aplicarea unui potenial pe un electrod pentru producerea
comutrii locale determin i comutarea biilor de memorie asociai
electrozilor vecini. n acest subcapitol ne-am propus explicarea
dinamicii proceselor de comutare n astfel de sisteme, n relaie cu
diferii parametri experimentali precum grosimea filmului
feroelectric, a distanei dintre electrozi si a tensiunii aplicate.
Cmpurile electrice locale au fost calculate prin metoda elementului
finit 3D innd cont de condiiile la limit reprezentate in Fig.
IV.3(a). n calcule s-a considerat un electrod circular central
nconjurat de 4 electrozi vecini, iar sistemul este depus pe un
electrod inferior comun supus unui potenial nul. Electrodul central
este supus unui potenial V care produce comutarea domeniului
corespunztor. Valorile permitivitilor considerate n simulri sunt:
1000=f pentru filmul feroelectric i
610=el pentru electrozi. Cmpul mediu localizat sub fiecare
dintre electrozi poate fi aproximat ca raportul dintre potenialul
electric pe electrodul corespunztor i grosimea filmului. Prin
urmare, pentru a explica fenomenul cross-talk este necesar s se
estimeze potenialele locale pe electrozii vecini. Spre deosebire de
cazurile precedente analizate n configuraia de condensatori cu plci
plan-paralele n care neomogenitatea cmpurilor locale a fost
introdus de interfeele dintre fazele cu permitiviti diferite, n
acest caz neomogenitatea cmpurilor locale este introdus de
condiiile la limit particulare.
(a)
(b) (c) (d)
Fig. IV.3 (a) Condiii la limit utilizate n modelul FEM i
imaginile potenialelor locale calculate pentru raze diferite ale
electrozilor: (b) R=0.12 a.u., (c) R=0.1 a.u. i (d) R=0.08 a.u. n
reprezentrile (b-d) o parte din sistem a fost ndeprtat pentru a
vizualiza i potenialele n dou seciuni transversale:
una care intersecteaz electrozii vecini i una care intersecteaz
doar electrodul central
27
-
ntr-un prim pas, s-au realizat simulri pentru raze diferite ale
electrozilor de la 0.12 a.u. la 0.08 au. Grosimea filmului este
h=0.1 a.u., potenialul electrodului central este V=1.0 a.u., iar
distana dintre electrozi a fost considerat de trei ori mai mare
dect raza electrozilor. Simulrile au artat c odat cu scderea razei
electrozilor de la 0.12 a.i. la 0.08 au., potenialul local pe
electrozii vecini crete de la 0.01 a.u. la 0.05 a.u. Acest cretere
explic apariia fenomenului cross-talk la miniaturizarea
nanoelectrozilor n sisteme feroelectrice de nanocondensatori.
Dinamica dipolilor locali sub cmpurile electrice locale a fost
descris cu un model Monte Carlo. Pentru aceasta s-au calculat
cmpurile electrice locale pe direcia polarizaiei ( zzyxVzyxEz =
/),,(),,( ) i s-au introdus ca input n Hamiltonian n modelul Monte
Carlo:
=ji i
izijiij pEppJH (IV.5)
Pentru a descrie structurile de domenii n timpul comutrii, s-au
considerat iniial toi dipolii orientai up dup care au fost lsai s
evolueze n timp conform procedurei Metropolis. n Fig. IV.4 s-au
reprezentat evoluia strilor dipolilor locali n timpul de 20000 MCS
pentru un sistem cu parametrii R=0.08 a.u., D=0.24 a.u., V=1.0 a.u.
i h=0.1 a.u.. Se observ c dipolii de sub electrodul central comut
foarte repede (Fig. IV.4(b)), iar domeniul central se extinde
repede spre electrozii vecini (Fig. IV(c)). Imaginile reprezentate
n Fig. IV.4 reuesc s surprind comutarea unui bit de memorie vecin
ntre 7000 i 9000 MCS. Dup 20000 MCS toi biii de memorie vecini
electrodului central sunt comutai. Prin urmare, rezultatele acestei
abordri teoretice explic fenomenul "cross-talk" ca o consecin a
evoluiei dipolilor sub cmpurile locale i a interaciunii reciproce
dintre dipoli.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Fig. IV.4 Imaginile dipolilor determinate la momente diferite de
timp dup aplicarea unui potenial electric pe electrodul central:
(a) 0 MCS, (b) 3 MCS, (c) 7000 MCS, (d) 8000 MCS, (e) 9000 MCS i
(f)
20000 MCS
28
-
(a) (b)
(c) (d)
Fig. IV.5 Imaginile potenialelor locale pentru: (a) un sistem
pentru care se produce fenomenul cross-talk i cteva sisteme n care
parametrii electrici si geometrici au fost variai pentru a
scdea
potenialul pe electrozii vecini: (b) creterea distanei dintre
electrozi de la 0.24 a.u. la 3.0 a.u., (c) scderea potenialului pe
electrodul central de la 1 a.u. la 0.4 a.u. i (d) scderea grosimii
filmului
feroelectric de la 0.1 a.u. la 0.04 a.u. Dup nelegerea motivelor
apariiei acestui fenomen, s-au propus cteva soluii de evitare a
acestuia: creterea distanei dintre electrozi, scderea tensiunii
aplicate i scderea grosimii filmului feroelectric la civa
nanometri. Imaginile potenialelor locale corespunztoare acestor
modificri sunt reprezentate n Fig. IV.5. Simulrile arat c toate
aceste modificri ale parametrilor geometrici i electrici duc la o
scdere a potenialului electric pe electrozii vecini, adic la
evitarea fenomenului cross-talk. Simulrile Monte Carlo arat c,
ntr-adevr, n toate cazurile fenomenul cross-talk nu se produce pn
la 20000 MCS (Fig. IV.6). Cu toate aceste, creterea distanei dintre
electrozi nu este o soluie viabil pentru c limiteaz densitatea de
nregistrare n astfel de memorii. De asemenea, scderea potenialului
pe electrodul central nu este o soluie potrivit pentru evitarea
fenomenului cross-talk pentru c viteza procesului de scriere este
diminuat deoarece cmpul mediu sub electrodul central scade. Dintre
toate soluiile propuse, scderea grosimii filmului feroelectric s-a
dovedit a fi cea mai bun pentru c n acest caz cmpurile electrice
locale sub electrozii vecini sunt reduse semnificativ, iar domeniul
central rmne bine confinat sub electrodul central. n plus, viteza
procesului de scriere este mbuntit deoarece cmpul electric sub
electrodul central se intensific.
(a) (b) (c)
29
-
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
Fig. IV.6 Imaginile dipolilor simulate pentru sistemele
reprezentate n Fig.IV.5: (a-c) D=0.3 a.u., (d-f) V=0.4 a.u. i (g-i)
h=0.4 a.u.; pentru momente diferite de la aplicarea potenialului pe
electrodul
central: (a,d,g) 0 MCS, (b,e,h) 3 MCS i (c,f,i) 20000 MCS
30
-
V. Concluzii
Obiectivul major al tezei de doctorat a fost de a propune modele
teoretice ce pot fi utilizate n proiectarea de materiale compozite
cu combinaii optime ale fazelor constituente ce pot fi utilizate n
aplicaii de dispozitive de microunde i memorii. Pentru a realiza
acest obiectiv, am propus Metoda Elementului Finit (FEM) pentru
descrierea modificrilor cmpurilor electrice locale n compozite
datorate particularitilor microstructurale. Contribuia original a
tezei de doctorat a fost de a combina FEM cu alte modele pentru
descrierea proprietilor dielectrice, feroelectrice i de comutare
precum: Teoria Landau pentru estimarea permitivitilor i a
tunabilitilor n compozite cu o
faz feroelectric n starea paraelectric. Acest studiu a reuit s
propun cteva tipuri de materiale pentru aplicaii de tunabilite: (i)
ceramicile feroelectrice poroase, (ii) compozite
feroelectric/dielectric liniar cu conectivitate 0-3 i incluziuni
dielectrice, (iii) compozite cu matrici de polimeri polari i
incluziuni conductoare (conectivitate 0-3) i (iv) compozite cu
conenctivitate 1-3 i incluziuni dielectrice n dou configuraii
(cazul incluziunilor orientate paralele cu direcia cmpului electric
aplicat i cazul incluziunilor orientate perpendicular cu direcia
cmpului electric aplicat). Dintre toate configuraiile studiate,
cele mai bune rezultate s-au obinut pentru compozitele cu
conectivitate 1-3 i incluziuni dielectrice orientate perpendicular
pe direcia cmpului aplicat. Acest model a fost de asemenea aplicat
cu succes i n cazul ceramicilor nanostructurate de BaTiO3 pentru
care au fost explicate modificrile introduse de scderea dimensiunii
granulelor de la 5 m la 100 nm: scderea continu a permitivitii
efective, liniarizarea dependenei )(Er i deplasarea punctului de
inflexiune spre valori mai mari ale cmpului electric aplicat.
Modelul Preisach pentru descrierea proprietilor de comutare ale
materialelor neomogene la microscal precum ceramicile feroelectrice
poroase. Acest model a fost aplicat pentru a descrie modificrile
proceselor de comutare introduse de creterea porozitii n cazul
ceramicilor poroase de PZTN: o descretere neliniar a polarizaiilor
remanente i de saturaie precum i o schimbare a formei ciclului de
histerezis de la una rectangular la una mai nclinat.
Modele Monte Carlo pentru descrierea proprietilor de comutare i
a fenomenului cross-talk n memorii feroelectrice de
nanocondesatori. n cadrul acestui studiu am propus i cteva soluii
pentru evitarea acestui fenomen: creterea distanei dintre
electrozi, scderea potenialului pe electrodul central i scderea
grosimii filmului feroelectric. Dintre toate soluiile, cea mai bun
este cea de scdere a grosimii filmului feroelectric pentru c asigur
o densitate de nregistrare mare, domeniul central rmne bine
confinat sub electrodul central, iar viteza procesului de scriere
este mbuntit.
n toate sistemele investigate, neomogenitatea cmpurilor
electrice locale, introdus de interfeele dintre fazele cu
permitiviti diferite sau de condiiile la limit particulare, s-a
dovedit a fi esenial n descrierea proprietilor funcionale. Prin
urmare, proprietile funcionale pot fi controlate prin modificarea
cmpurilor locale controlnd parametrii microstructurali. Soluia de
mbuntire a proprietilor funcionale prin proiectare de material,
bazat pe modelarea combinrii fazelor ntr-un compozit, este o
alternativ mai bun dect metoda ncercare-eroare folosit nc pe scar
larg n literatur.
31
-
Bibliografie selectiv:
[1] M.E. Lines and A.M. Glass, Principles and applications of
ferroelectrics and related materials, Clarendon Press, Oxford
(1977) [2] W. Kanzig, Ferroelectrics and antiferoelectrics,
Academic Press, New York (1957) [3] J.C. Burfoot, Ferroelectrics-An
introduction to the physical principles, D. Van Nostrand Co.,
London (1967) [4] Ferroelectric Random Access Memories, Topics in
Applied Physics, vol 93. ed. by H. Ishiwara and M. Okuyama,
Springer-Verlag, Berlin (2004) [5] A.K. Tagantsev V.O. Sherman,
K.F. Astafiev, J. Venkatesh, N. Setter, Ferroelectric materials for
microwave tunable applications, J. Electroceram 11, 5-66 (2003) [6]
J. Ho, T.R. Jow, S. Boggs, Historical introduction to capacitor
technology, IEEE Electr. Insul, Mag. 26, 20-25 (2010)
[7]http://en.wikipedia.org/wiki/ceramic_capacitor#multilayer_ceramic_capacitors_.28MLCC.29
[8] Z. Zhao, V. Buscaglia, M. Viviani, M. T. Buscaglia, L.
Mitoseriu, A. Testino, M. Nygren, M. Johnsson, P. Nanni, Size
effect on ferroelectric behavior of dense nanocrystalline BaTiO3
ceramics, Phys. Rev. B 70, 024107 (2004) [9] M.T. Buscaglia, M.
Viviani, V. Buscaglia, Liliana Mitoseriu, A. Testino, P. Nanni, Z.
Zhao, M. Nygren, C. Harnagea, D. Piazza, C. Galassi, High
dielectric constant and frozen macroscopic polarization in dense
nanocrystalline BaTiO3 ceramics, Phys. Rev. B. 73, 064114 (2006)
[10] H. Han, Y. Kim, M. Alexe, D. Hesse, W. Lee, Nanostructured
ferroelectrics: fabrication and structure-property realtions, Adv.
Mater 23, 4599-4613 (2011) [11] Y. Kim, H. Han, I. Vrejoiu, W. Lee,
D. Hesse, M. Alexe, Cross talk by extensive domain wall motion in
arrays of ferroelectric nanocapacitors, Appl. Phys. Lett. 99,
202901 (2011) [12] L.D. Landau and I.M. Khalatnikov, On the
anomalous absorption of a sound near to points of phase transition
of the second kind, Dokl. Acad. Nauk.SSSR 96, 469 (1954); T.K.
Song, Scaling of ferroelectric hysteresis loops simulated with
Landau-Khalatnikov equation, Ferroelectrics, 259, 163-167 (2001)
[13] V.L. Ginzburg, Phase transitions of the second kind and the
microscopic theory of seignettoelectricity, Fiz. Tverd.Tela 2,
2031-2043 (1960); Sov.Phys.Solid State 2, 1824 (1960) [14] A.F.
Devonshire, Theory of ferroelectrics, Phyl. Mag. 40, 1040 (1949);
42, 1065 (1951) [15] K.M. Johnson, Variation of dielectric constant
with voltage in ferroelectrics and its application to parametric
device, J. Appl. Phys. 33, 2826 (1962) [16] L. Padurariu, C.
Enachescu, L. Mitoseriu, Monte Carlo simulations for describing the
ferroelectricrelaxor crossover in BaTiO3-based solid solutions, J.
Phys.: Condens. Matter 23, 325901 (2011) [17] A. Stancu,
Magnetization Processes In Particulate Ferromagnetic Media, Cartea
Universitara, Iasi (2006) [18] L. Padurariu, L. Curecheriu, V.
Buscaglia, L. Mitoseriu, Field-dependent permittivity in
nanostructured BaTiO3 ceramics: Modeling and experimental
verification, Phys. Rev. B 85, 224111 (2012)
32
-
[19] L. Padurariu, L. Curecheriu, C. Galassi, L. Mitoseriu,
Tailoring non-linear dielectric properties by local field
engineering in anisotropic porous ferroelectric structures, Appl.
Phys. Lett. 100, 252905 (2012) [20] A. Cazacu, L. Curecheriu, A.
Neagu, L. Padurariu, A. Cernescu I. Lisiecki, L. Mitoseriu, Tunable
gold-chitosan nanocomposites by local field engineering, Appl.
Phys. Lett. 102, 222903 (2013) [21] C.S. Olariu, L. Padurariu, R.
Stanculescu, C. Baldisserri, C. Galassi, L. Mitoseriu,
Investigation of low field dielectric properties of anisotropic
porous Pb(Zr,Ti)O3 ceramics: Experiment and modeling, J. Appl.
Phys. 114, 214101 (2013) [22] C.E. Ciomaga, C.S. Olariu, L.
Padurariu, A.V. Sandu, C. Galassi, L. Mitoseriu, Low field
permittivity of ferroelectric-ferrite ceramic composites:
Experiment and modeling, J. Appl. Phys. 112, 094103 (2012) [23] V.
Pascariu, L. Padurariu, O. Avadanei, L. Mitoseriu, Dielectric
properties of PZT-epoxy composite thick films, J. Alloy. Compd.
574, 591599 (2013) [24] T. Maiti, R. Guo, A.S. Bhalla, Tailored
dielectric properties and tunability of lead free relaxor
Ba(ZrxTi1-x)O: MgO composites, Ferroelectrics 361, 84-91 (2007)
[25] U.-C. Chung, C. Elissalde, M. Maglione, C. Estourns, M. Pat
and J. P. Ganne, Low-losses, highly tunable Ba0.6Sr0.4TiO3/MgO
composite. Appl. Phys. Lett 92 (4), 042902-3 (2008) [26] P. Ren, H.
Fan, X. Wang, X. Tan, Modified tunable dielectric properties by
addition of MgO on BaZr 0.25Ti 0.75O 3 ceramics, Mater. Res. Bull.
46, 23082311 (2011) [27] X.-F. Zhang, Q. Xu, D. Zhan, H.-X. Liu, W.
Chen, D.-P. Huang, Dielectric response of MgO-added Ba0.6Sr0.4TiO3
ceramics under bias electric field: Examination of contributing
mechanisms, Physica B 410, 170176 (2013) [28] Z.-M. Dang, J.-K.
Yuan ,S.-H. Yao , R.-J. Liao, Flexible Nanodielectric Materials
with High Permittivity for Power Energy Storage, Adv. Mater. 25,
44, 63346365 (2013) [29] C.Ciomaga, Contributions to the study of
ferroelectric relaxors, PhD Thesis, Al.I. Cuza University, Iasi,
2009 [30] A. Tkach, P. M. Vilarinho , A. L. Kholkin,
Structuremicrostructuredielectric tunability relationship in
Mn-doped strontium titanate ceramics, Acta Materialia 53, 50615069
(2005) [31] Q. Yu, S.K. Esche, A Monte Carlo Algorithm for single
phase normal grain growth with improved accuracy and efficiency,
Comput. Mater. Sci. 27, 259 (2003) [32] W. Liao, R. Liang, G. Wang,
F. Cao, X. Dong, Dielectric and tunable properties of bulk columnar
Ba0.6Sr0.4TiO3/MgO composites, Ceram. Int. 39, 891895 (2013) [33]
J. Zhang, B. Shen, J. Zhai, X. Yao, Microwave dielectric properties
and low sintering temperature of Ba0.5Sr0.5TiO3Mg2TiO4 composites
synthesized in situ by the hydrothermal method, Ceram. Int. 39,
59435948 (2013) [34] R Liang, Wanfang Liao, Junwei Wu, Fei Cao,
Xianlin Dong, Extremely High Tunability of Low Dielectric Constant
1-3 Type (Ba,Sr)TiO3/Resin Epoxy, J. Amer. Ceram. Soc., 95 [7]
21202123 (2012) [35] L.Padurariu, L.Mitoseriu, "Local field
engineering approach for tuning dielectric andferroelectric
properties in nanostructured ferroelectrics and composites" chapter
in the book "Nanoscale Ferroelectrics and Multiferroics: Key
processing and characterization issues, and nanoscale effects" ,
Wiley and Sons Publishers. (in press)
33
-
Lista lucrrilor tiinifice publicate n reviste indexate ISI n
domeniu tezei
1. Cristina Olariu, Leontin Padurariu, Roxana Stanculescu, Carlo
Baldisserri, Carmen Galassi, Liliana Mitoseriu, Investigation of
low field dielectric properties of anisotropic porous Pb(Zr,Ti)O3
ceramics: Experiment and modeling, J. Appl. Phys. 114, 214101
(2013);
Factor de impact : 2.185 Scor de influen: 0.721
2. Ana Cazacu, Lavinia Curecheriu, Alexandra Neagu, Leontin
Padurariu, Adrian Cernescu, Isabelle Lisiecki, Liliana Mitoseriu,
Tunable gold-chitosan nanocomposites by local field engineering,
Appl. Phys. Lett., 102, 222903 (2013).
Factor de impact: 3.515 Scor de influen: 1.212
3. Vasilica Pascariu, Leontin Padurariu, Ovidiu Avadanei,
Liliana Mitoseriu, Dielectric properties of PZT-epoxy composite
thick films, Journal of Alloys and Compounds 574 591599(2013)
Factor de impact: 2.726 Scor de influen: 0.532
4. Cristina Elena Ciomaga, Cristina Stefania Olariu, Leontin
Padurariu, Andrei Victor Sandu, Carmen Galassi, and Liliana
Mitoseriu, Low field permittivity of ferroelectric-ferrite ceramic
composites: Experiment and modeling, J. Appl. Phys. 112, 094103
(2012) Factor de impact: 2.210
Scor de influen: 0.796 5. Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu,
Carmen Galassi, Liliana Mitoseriu, Tailoring
non-linear dielectric properties by local field engineering in
anisotropic porous ferroelectric structures, Appl. Phys. Lett. 100,
252905 (2012)
Factor de impact : 3.794 Scor de influen: 1.351
6. Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu, Vincenzo Buscaglia,
Liliana Mitoseriu, Field-dependent permittivity in nanostructured
BaTiO3 ceramics: Modeling and experimental verification, Phys. Rev.
B 85, 224111 (2012)
Factor de impact: 3.767 Scor de influen: 1.432
7. Leontin Padurariu, Marin Alexe, Liliana Mitoseriu, Cross-talk
phenomena in ferroelectric nanocapacitors, Phys. Rev. B (to be
submitted)
Total scor de influen: 6.044 Total factor de impact: 15.471
Punctaj ISI individual: 3.851
Capitole de carte publicate n edituri internaionale
L.Padurariu, L.Mitoseriu, "Local field engineering approach for
tuning dielectric andferroelectric properties in nanostructured
ferroelectrics and composites" chapter in the book "Nanoscale
Ferroelectrics and Multiferroics: Key processing and
characterization issues, and nanoscale effects" , Wiley and Sons
Publishers. (n curs de publicare)
34
-
Citri n reviste internaionale (fr autocitri)
Articol citat: Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu, Vincenzo
Buscaglia, Liliana Mitoseriu, Field-dependent permittivity in
nanostructured BaTiO3 ceramics: Modeling and experimental
verification, Phys. Rev. B 85, 224111 (2012)
1. L. Curecheriu, S.Balmus, M. T. Buscaglia, V. Buscaglia, A.
Ianculescu, and L. Mitoseriu, Grain Size-Dependent Properties of
Dense Nanocrystalline Barium Titanate Ceramics, J. Am. Ceram. Soc.,
95 [12] 39123921 (2012)
2. Rolando Placeres Jimnez, Jos Pedro Rino, Brbara Fraygola, and
Jos Antonio Eiras, On the capacitance versus voltage response and
tunability of ferroelectrics: A microscopic model, J.Appl. Phys.
113, 074109 (2013)
3. S. Zhang, X. Wang, J. Zhu, C. Jin, H. Gong, L. Li, The
microstructure and ferroelectricity of BiScO3PbTiO3 nanoceramics at
morphotropic phase boundaries, Scripta Materialia 82, 4548
(2014)
4. S. Zhang, X. Wang, H. Wang, L. Li, Grain boundary region and
local piezoelectric response of BiScO3PbTiO3 nanoceramics prepared
by combination of SPS and two-step sintering, J. Eur. Ceram. Soc.
34, 23172323 (2014)
5. C. Mao, S. Yan, S. Cao, C. Yao, F.Cao, G. Wang, X. Dong, X.
Hu, C. Yang, Effect of grain size on phase transition, dielectric
and pyroelectric properties of BST ceramics, J. Eur. Ceram. Soc. 34
29332939 (2014)
6. R. P. Jimnez, J. P. Rino, J. A. Eiras, Ferroelectric Domain
Wall as Stretched Membrane: Nonlinear Dielectric Response and
Tunability, Ferroelectrics 461 29-37 (2014)
7. Rolando Placeres Jimenes, Dielectric and Elastic Responses of
Perovskites: Modeling and Simulations, PhD. Thesis, at Deparament
of Phsysics, Universidade Federal de Sao Carlos, Brazil
8. J. Lesseur, D. Bernard, U.-C. Chung, C. Estourns, M.Maglione,
C. Elissalde, J. Eur. Ceram. Soc.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.07.032 (2014)
Articol citat: Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu, Carmen
Galassi, Liliana Mitoseriu, Tailoring non-linear dielectric
properties by local field engineering in anisotropic porous
ferroelectric structures, Appl. Phys. Lett. 100, 252905 (2012)
9. B. Chen, J.Wang, M. Zhou, J. Wan, J. Liu, Enhanced
Magnetodielectric Effect in Graded CoFe2O4/Pb(Zr0.52Ti0.48)O3
Particulate Composite Films, J. Am. Ceram. Soc. 97 14501455
(2014)
10. A. Neagu, L.P. Curecheriu, A. Cazacu, L. Mitoseriu,
Impedance analysis and tunability of BaTiO3chitosan composites:
Towards active dielectrics for flexible electronics, Composites:
Part B 66 109116 (2014)
11. T.Sa, Z. Cao, Y. Wang, H. Zhu, Enhancement of charge and
energy storage in PbZrO3 thin films by local field engineering,
Applied Physics Letters 105, 043902 (2014)
35
-
12. J. Lesseur, D. Bernard, U.-C. Chung, C. Estourns,
M.Maglione, C. Elissalde, J. Eur. Ceram. Soc.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.07.032 (2014)
Articol citat: Ana Cazacu, Lavinia Curecheriu, Alexandra Neagu,
Leontin Padurariu, Adrian Cernescu, Isabelle Lisiecki, Liliana
Mitoseriu, Tunable gold-chitosan nanocomposites by local field
engineering, Appl. Phys. Lett., 102, 222903 (2013).
13. A. Neagu, L.P. Curecheriu, A. Cazacu, L. Mitoseriu,
Impedance analysis and tunability of BaTiO3chitosan composites:
Towards active dielectrics for flexible electronics, Composites:
Part B 66 109116 (2014)
14. T.Sa, Z. Cao, Y. Wang, H. Zhu, Enhancement of charge and
energy storage in PbZrO3 thin films by local field engineering,
Applied Physics Letters 105, 043902 (2014)
Articol citat: Vasilica Pascariu, Leontin Padurariu, Ovidiu
Avadanei, Liliana Mitoseriu, Dielectric properties of PZT-epoxy
composite thick films, Journal of Alloys and Compounds 574
591599(2013)
15. Y. Shen, G. Liang, L. Yuan, Z. Qiang, A. Gu, Unique
Li0.3Ti0.02Ni0.68O-carbon nanotube hybrids: Synthesis and their
epoxy resin composites with remarkably higher dielectric constant
and lower dielectric loss, Journal of Alloys and Compounds 602 1625
(2014)
16. S. Banerjee, An Eeperimental Invsetigation Of Lead Zirconate
Titatnate - Epoxy Multi-Walled Carbon Nanotube Bulk And Flexible
Thick Film Composites, Phd. Thesis, The State University of New
Jersey (2014)
Articol citat: Cristina Elena Ciomaga, Cristina Stefania Olariu,
Leontin Padurariu, Andrei Victor Sandu, Carmen Galassi, and Liliana
Mitoseriu, Low field permittivity of ferroelectric-ferrite ceramic
composites: Experiment and modeling, J. Appl. Phys. 112, 094103
(2012)
17. L. Curecheriu, P. Postolache, M. T. Buscaglia, V. Buscaglia,
A. Ianculescu,
and L. Mitoseriu, Novel magnetoelectric ceramic composites by
control of the interface reactions in Fe2O3@BaTiO3 core-shell
structures, J. Appl. Phys. 116, 084102 (2014)
Articol citat: Cristina Olariu, Leontin Padurariu, Roxana
Stanculescu, Carlo Baldisserri, Carmen Galassi, Liliana Mitoseriu,
Investigation of low field dielectric properties of anisotropic
porous Pb(Zr,Ti)O3 ceramics: Experiment and modeling, J. Appl.
Phys. 114, 214101 (2013)
18. J. Lesseur, D. Bernard, U.-C. Chung, C. Estourns,
M.Maglione, C. Elissalde, J. Eur. Ceram. Soc.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.07.032 (2014)
36
-
Premii internaionale
1. Premiu pentru cea mai bun prezentare oral "Modeling the size
effects on the dielectric properties in nanostructured
ferroelectric ceramics" by Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu,
Vincenzo Buscaglia, Liliana Mitoseriu at Cost MP0904 Showcase
organized at Electroceramics XIV, Bucharest, Romania, 16-20 iunie
2014
2. Premiu centrului de excelen CARPATH n 2012 pentru lucrarea "
Tailoring non-linear dielectric properties by local field
engineering in anisotropic porous ferroelectric structures"
publicat n Applied Physics Letters
3. Premiu pentru cea mai bun prezentare oral la 9th
Interantional Conference on Physics of Advanced Materials, 20-23
Septembrie 2012, Iasi, Romania
4. Premiu pentru cea mai bun prezentare poster la COST MP0904
Training School Meeting, Genova, 12-13 Martie 2012 pentru lucrarea
"Permittivity vs. field dependence in nanostructured ferroelectric
ceramics: the role of grain size", Leontin Padurariu, Lavinia
Curecheriu, Vincenzo Buscaglia, Liliana Mitoseriu,
Participri la coli de pregtire n domeniu tezei
Participarea la First COST MP0904 Training School
"Nanostructured oxides: from laboratory research to industrial
applications" organizat la Genova, Italia, 12-13 Martie 2014.
Participarea la stagii de cercetare n laboratoare
internaionale
Stagiu de cercetare (STSM) n cadrul priectului internaional COST
MP0904 la Universitatea Aveiro, coordonator prof. dr. Paula
Vilarinho. Tema de cercetare: Modelarea rolului porozitii asupra
proprietilor de comutare ale filmelor subiri feroelectrice.
Participri la conferine internaionale
38 de prezentri la conferine inernaionale, din care 20 de
prezentri orale i 18 prezentri poster.
37
-
Participri n granturi internaionale i naionale
PN-II-RU-TE-187 (2010-2013) (dir. proiect: Dr. C.Ciomaga)
Investigarea efectelor de volum, interfa i de percolaie n
materialele compozite multifuncionale cu geometrie controlat i
metamateriale (IMECOMP)
COST Action MP0904-SIMUFER (2010-2014) Single- and Multiphase
Ferroics and Multiferroics with Restricted Geometries
PN-II-ID-PCE-2011-3-0745 (2011-2015) (dir. proiect prof.dr. L.
Mitoseriu)- Material design, preparation, properties and modeling
of multifunctional oxides structures for microelectronics and new
energy storage applications(MULTIFOX)
PN-II-PCCE-2-2011-0006 (2012-2015) (dir.proiect CS I dr. L.
Pintilie) Efectul interfeelor asupra transportului de sarcina n
heterostructuri feroice/multiferoice
Proiectului de cercetare de cooperare bilateral Romania Italia
(2013-2014): Investigarea unor noi sisteme BaO-TiO-FeO multiferoic:
de la design de material la aplicatii magnetoelectrice
(MULTIFER)
PN-II-RU-TE-2012-3-0150 (2013-2016) (Dir. proiect: Dr. L.
Curecheriu) Investigation of the mesoscopic polar order and size
effects in driving polarization mechanisms of tunability in
perovskites (IMPOTUN)
COST Action IC1208 (2013-2017) Integrating devices and
materials: A challenge for new instrumentation in ICT
PN-II-PT-PCCA-2013-4-1119 (2014-2016) (dir. proiect prof.dr. L.
Mitoseriu) -Compozite magnetoelectrice cu proprietati emergente
pentru aplicatii in comunicatii fara fir si senzori (MECOMAP)
Aceast tez a fost realizat cu sprijinul financiar al proietului
POSDRU/159/1.5/S/137750.
38
I. IntroducereI.1 FeroelectricitateaI.2 Aplicaii ale
materialelor feroelectriceI.3 Cteva probleme actuale ale
materialelor feroelectrice. Motivaia cercetrii
II. Modele numerice pentru descrierea proprietilor
feroelectriceII.1 IntroducereII.2 Teoria LandauII.3 Modele Monte
CarloII.4 Modelul PreisachII.5 Metoda Elementului Finit (FEM)
III. Proprieti dielectrice neliniare ale compozitelor cu una din
faze feroelectricIII.1 IntroducereIII.2 Compozite cu fazele
distribuite n mod aleatoriuIII.3 Compozite cu incluziuni
feroelectrice ntr-o matrice dielectric (conectivitate 0-3)III.4
Compozite cu conectivitate 0-3 i matrice feroelectricIII.5
Compozite cu incluziuni dielectrice columnare ntr-o matrice
feroelectric (conectivitate 1-3)
IV. Modelarea proceselor de comutare n microstructuri i
nanostructuri feroelectrice particulareIV.1 IntroducereIV.2 Procese
de comutare n ceramici feroelectrice poroaseIV.3 Fenomenul
"cross-talk" n sisteme feroelectrice de nanocondensatori
V. ConcluziiBibliografie selectiv: