Laboratorio di Spettroscopia Dielettrica

Attività Scientifica

La spettroscopia dielettrica misura la risposta della polarrizzazione elettrica di un materiale a un campo elettrico applicato. Viene usata per la caratterizzazione di materiali polari (ferroelettrici, rilassori ferroelettrici, multiferroici, fotovoltaici, perovskiti organiche-inorganiche di alogenuri, sistemi elettrochimici, capacitori per stoccaggio di energia) e sistemi multifasici (compositi polimero-ceramica). Nei materiali eterogenei la spettroscopia dielettrica rivela di solito una risposta dielettrica  universale, caratterizzata da una relazione di legge di potenza tra l’impedenza elettrica e la frequenza del campo elettrico applicato. La spettroscopia dielettrica (o spettroscopia di impedenza) viene usata anche per la caratterizzazione microstrutturale, la caratterizzazione dielettrica di mezzi biologici, di materiali per celle combustibili etc.
Si possono studiare tutti i tipi di difetti ed eccitazioni dipolari, mobilità degli atomi (diffusione, intrappolamento, riorientazione di difetti, tunneling, movimenti cooperativi etc.), polaroni, cariche libere, transizioni di fase ferroelettriche e movimenti di pareti di domini.
Il laboratorio di spettroscopia dielettrica ha due apparecchiature principali: una per campioni grandi (di solito sbarrette di lunghezza di alcuni cm e spessore 1 mm) che consiste in ponte di impedenza HP/LCR meter HP + camera climatica Delta Design (90-570 K, 20 Hz – 40 MHz). Le misure sono fatte in aria. Un’altra apparecchiatura consiste in una piccola camera climatica (90-870 K, 20 Hz – 40 MHz) dove le misure possono essere fatte in atmosfera di azoto, su campioni a forma di disco con diametro sotto 12 mm e spessore circa 0.5 mm.
La permittività dielettrica in funzione della frequenza e temperatura e le costanti piezoelettriche sono misurate su capacitori ottenuti metallizzando due face parallele del campione. Misure della permittività dielettrica possono essere fatte anche su film sottili con configurazione di elettrodi paralleli o capacitori planari.
Un dispositivo per misure ferroelettriche (Radiant Technologies) provvisto di una interfaccia e un amplificatore per alta tensione vengono impiegati per misure di polarizzazione in funzione del campo elettrico per la caratterizzazione ferroelettrica dei materiali.

La tecnica di spettroscopia dielettrica è usata per la caratterizzazione di

• Materiali ferroelettrici/antiferroelettrici
• Materiali rilassori
• Perovskiti organiche-inorganiche di alogenuri
• Compositi piezoelettrico/polimero
• Materiali dielettrici eterogenei
• Film sottili ed eterostrutture

Ad esempio nel caso delle perovskiti organiche-inorganiche di alogenuri, la misura della permittività dielettrica su MAPbI₃ in raffreddamento mostra che non esiste nessuna transizione sopra la temperature ambiente, perciò una normale fase ferroelettrica a temperatura ambiente come sostenuto in alcuni lavori in letteratura non è giustificata. L’aumento della permittività dielettrica sotto la temperature ambiente è tipico della riorientazione paraelettrica dei dipoli MA ed è fortemente influenzata dall’accoppiamento con gli ottaedri ruotati di PbI₆.
Si osserva anche un rilassamento dielettrico a basse temperature ma è molto più lento è più basso di quello anelastico. Essendo una anomalia molto larga, può essere dovuta al rilassamento delle pareti dei domini tra diverse varianti di domini ortorombici.

 

Come esempio di caratterizzazione di film sottili mediante la spettroscopia dielettrica, si è mostrato che film sottili di (Ba,Ca)(Zr,Ti)O₃ (BCZT) cresciuti su diversi substrati hanno proprietà dielettriche molto diverse. Film sottili di BCZT hanno permittività dielettrica e costanti piezoelettriche alte, perciò sono interessanti per applicazioni di energy harvesting. Misure di spettroscopia dielettrica evidenziano un aumento importante della permittività dielettrica dei film cresciuti epitassialmente su STO rispetto a quelli cresciuti su SLAO e ai valori dei campioni bulk. Questo risultato è stato correlato con misure HRTEM e GPA (geometric phase analysis) che mostrano che l’origine dell’aumento della permittività dielettrica risiede nella creazione di nanodomini ferroelettrici come conseguenza del rilassamento dello strain epitassiale.

 

Strumentazione

Spettroscopia dielettrica

Collaborazioni

• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con Francesco Cordero, CNR-ISM (Tor-Vergata) per misure anelastiche.
• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con il gruppo di Carmen Galassi, CNR-ISTEC (Faenza) per la preparazione di campioni di ceramiche ferroelettriche.
• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con Annamaria Paoletti, Gloria Zanotti, Giovanna Pennesi, CNR-ISM (Montelibretti) per la preparazione di campioni di perovskiti organiche-inorganiche per applicazioni ferroelettriche e fotovoltaiche.
• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con il gruppo di Maria Dinescu, National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Bucharest, Romania, per la preparazione e caratterizzazione di film sottili ferroelettrici e multiferroici.
• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con il gruppo di Victor Fruth, Institute of Physical Chemistry, Romanian Academy, Bucharest, Romania, per la preparazione e caratterizzazione di perovskiti organiche-inorganiche per applicazioni ferroelettriche.
• Collaborazione scientifica e partecipazione a progetti comuni con il gruppo di Mirjana Vijatovic, Institute for Multidisciplinary Research, Belgrade, Serbia, per la preparazione e caratterizzazione di film sottili flessibili di compositi polimero-ceramica ferroelettrici e multiferroici.