Spettroscopia dielettrica

Spettroscopia Dielettrica

Floriana Rusanescu Craciun -

DielSpec

Sede di Roma - Tor Vergata

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.

SPECIFICHE TECNICHE

Spettroscopia dielettrica
- Cella Linkam + HP LCR/HP ponte di impedenza: Dominio di temperatura 90 – 870 K, Dominio di frequenza 20 Hz- 40 MHz. Atmosfera inerte.
- HP LCR/HP Ponte di impedenza + camera climatica Delta Design (90 – 570 K, 20 Hz- 40 MHz). Misure in aria.
- Il segnale elettrico AC di misura può essere variato tra 0.01 V – 1 V. Le misure possono essere fatte anche sotto campo elettrico DC sino a 40 V.
Dispositivo per misure ferroeletriche
Dispositivo Radiant Technologies + interfaccia HV + amplificatore HV Trek sino a 4 kV.

TECNICHE DISPONIBILI

Spettroscopia dielettrica
- Misure di permittività dielettrica in funzione della temperature e frequenza (90 – 870 K, 20 Hz- 40 MHz).
- Variazione della permittività dielettrica con il campo elettrico DC applicato (0-40 V).
- Dispersione in frequenza della permittività dielettrica in mezzi inomogenei o materiali con difetti; fenomeni di rilassamento e energia di attivazione.
- Transizioni di fase in materiali polari/antipolari.
Dispositivo per misure ferroelettriche
- Misura dell’isteresi della polarizzazione in materiali ferroelettrici/antiferroelettrici.
- Dipendenza della permittività dielettrica dal campo elettrico
- Misura della corrente di leakage.

CAMPIONI

Dimensioni laterali: sino a 12 mm per la camera Linkam o superiori (20-40 mm) per la camera Delta.
Spessore: circa 0.5 mm for Linkam chamber o superiore (2-3 mm) per la camera Delta.
I campioni non devono essere conduttivi.
I campioni di film sottili possono essere misurati in configurazione con elettrodi paralleli o capacitori planari.

UTILIZZATO PER

Materiali ferroelettrici/antiferroelettrici
Materiali rilassori
Perovskiti organiche-inorganiche di alogenuri
Compositi piezoelettrico/polimero
Materiali dielettrici eterogenei
Caratterizzazione di film sottili dielettrici

ESEMPI APPLICATIVI

Parte reale della permittività dielettrica misurata in raffreddamento su CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) a 1 MHz

Le misure sono fatte su campioni a forma di disco ottenuti pressando polvere di MAPbI₃ e applicando elettrodi di argento su due facce parallele. Si osserva 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.
Perdite dielettriche ed anelastiche sullo stesso campione.
Si osserva un rilassamento dielettrico a basse temperature (nella parte inferiore della figura) 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.

Si veda: F. Cordero, F. Craciun, F. Trequattrini et al., J. Phys. Chem. Lett. 9, 4401 (2018)

Film sottili di (Ba,Ca)(Zr,Ti)O₃ cresciuti su diversi substrati hanno proprietà dielettriche 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.

Si veda: N. Scarisoreanu, F. Craciun, A. Moldovan et al
ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 23984 (2015)

Spettroscopia dielettrica