Nanokristallisation im Frühstadium als Methode zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von mit Blei/Bariumtitanat dotierten Vanadiumboratgläsern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12498 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Glaskeramische Nanokomposite (GCNs) aus (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 mit x = 0, 2,5, 5, 7,5 und 10 Mol-% wurden während der Wärmebehandlung herkömmlicher Schmelzabschreckgläser gebildet . Um die Bildung von Glas und GCNs sicherzustellen, wurde Röntgenbeugung eingesetzt. Die Dichten von Gläsern und GCNs wurden nach dem Archimedes-Prinzip gemessen. Der Einbau feiner polarer Bleititanat- und/oder Bariumtitanat-Cluster in die Vanadiumborat-Glasmatrix hängt stark von der Zusammensetzung ab. Es wurde herausgefunden, dass die elektrische Leitfähigkeit der Ausgangsgläser durch ein geeignetes frühes Stadium der Nanokristallisation bei Temperaturen, die sich den mit der DSC-Methode bestimmten Kristallisationstemperaturen annähern, erheblich verbessert werden kann. GCNs zeigen einen massiven Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit (bis zu 6 Größenordnungen) als Funktion des BaTiO3-Gehalts. Es wurde festgestellt, dass durch Erhöhung des BaTiO3-Gehalts die Aktivierungsenergiewerte ansteigen. Die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von GCNs kann auf die Zunahme der kristallinen Phasen in der Glasmatrix zurückgeführt werden, die die Konzentrationen der V-Ionenpaare erhöht.

In jüngster Zeit erregten Glas-Keramik-Nanokomposite (GCNs), die in der Glasmatrix dispergierte ferroelektrische Nanokristallite enthalten, großes Interesse. Während der Wärmebehandlung des Glases bilden sich winzige Kristalle innerhalb der Glasmatrix. Außerdem wird der Grad der Porosität verringert, was einen großen Vorteil für GCNs darstellt1,2. Mit ferroelektrischen Materialien eingebettete Glas- und Glaskeramiksysteme haben bemerkenswerte Anwendungen wie Hochfrequenzfilter, Aktoren, Flash-Speicher usw.3. GCNs, die Übergangsmetalloxid (TMO) enthalten, zeigen aufgrund von Ionen mit einer Wertigkeit über einer Wertigkeit halbleitendes Verhalten. In einer Glasmatrix, die Vanadiumoxid enthält, wurde eine Leitung aufgrund eines kleinen Polaron-Hoppings (SPH) zwischen V4+ ↔ V5+ festgestellt. Die Korngröße der gebildeten nanokristallinen Partikel spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, wobei die Hüpfzentren so angeordnet sind, dass die Korngrenzenstreuung minimiert wird4,5,6.

Bleititanat (PbTiO3) hat eine Perowskitstruktur mit guten dielektrischen, thermischen Stabilitäts- und ferroelektrischen Eigenschaften. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner hohen Curie-Temperatur (490 °C) für Hochtemperatur-Geräteanwendungen wie Wandler geeignet. Die großen Ionenverschiebungen von Bleititanat erzeugen eine große spontane Polarisation7,8. Andererseits wurde Bariumtitanat (BaTiO3) in den letzten Jahrzehnten intensiv auf seine technologische Bedeutung für elektronische Anwendungen untersucht3,9.

Für die Glasbildungsfähigkeit wirkt Vanadiumpentoxid (V2O5) bis zu 5 Mol-% als Netzwerkglasmodifikator, während es bei mehr als 10 Mol-% als Netzwerkbildner fungiert5. Bortrioxid (B2O3) ist ein grundlegender Glasnetzwerkbildner in Boratgläsern mit geringerer Schmelzwärme10, während BaTiO3 eine schlechte Glasbildungsfähigkeit aufweist3.

Unsere Arbeit zielt darauf ab, mit Blei/Bariumtitanat dotiertes Glas/GCNs zu untersuchen, die durch herkömmliche Schmelzabschrecktechnik bzw. Nanokristallisierungsmethode im Frühstadium hergestellt werden. Darüber hinaus wurde die Auswirkung von Bariumtitanat, das durch Bleititanat ersetzt wurde, um bleifreies Material herzustellen, auf die elektrischen Eigenschaften untersucht. Die Bildung nanokristalliner Phasen wurde durch sorgfältige Wärmebehandlung bei Temperaturen nahe der Kristallisationstemperatur erreicht.

Zur Herstellung von (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 mit x = 0, 2,5, 5, 7,5 und 10 Mol-% wurde eine herkömmliche Schmelzabschrecktechnik verwendet. Extra hochreine Oxide in Reagenzqualität von PbTiO3, BaTiO3, B2O3 (Sigma Aldrich, 99 %) und V2O5 (Fisher Scientific, 99,99 %) waren unsere Ausgangschemikalien mit einer Gesamtmischung von 10 g, gewogen in einem stöchiometrischen Verhältnis. Nach 10 Min. Nach dem Mischen wurden Pulver mit nominaler Zusammensetzung in einen Platintiegel gegeben und 90 Minuten lang in einem Muffelofen bei 1250 °C an der Luft erhitzt. Zum Gießen der Schmelze in Plattenform mit einer Dicke von 2,0 mm wurde eine Edelstahlform verwendet. Um die Amorphizität der vorbereiteten Gläser bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einem Strom von 30 mA sicherzustellen, wurde ein Siemens D5000-Röntgendiffraktometer mit nickelgefilterter Cu-Kα-Strahlung verwendet. Für die thermische Analyse wurde das Differentialscanningkalorimeter Shimatzou DSC 50 mit einer Heizrate von 10 °C/min unter einer Argonatmosphäre verwendet. Das hochauflösende Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM) JEOL 2100 wurde verwendet, um das Vorhandensein von Nanoclustern in der Glasmatrix zu bestätigen. Die so vorbereitete Glasprobe wurde gemäß DSC-Daten bei 350 °C 2 Stunden lang in Luft nahe ihrer Kristallisationstemperatur Tc wärmebehandelt, um Glas-Keramik-Nanokomposite (GCNs) zu erhalten. Glas- und GCNS-Proben wurden mit Silberpasten zur Gleichstromleitfähigkeit unter Verwendung eines Pico-Amperemeters vom Typ KEITHLEY 485 im Temperaturbereich von 310–450 K beschichtet. Bei Raumtemperatur wurden die durchschnittlichen Dichten (ρ) von Glas- und GCNS-Proben nach der Archimedes-Methode unter Verwendung von Toluol gemessen 0,866 g/cm3 als Immersionsflüssigkeit. Die Dichtemessungen wurden fünfmal wiederholt.

XRD-Muster von 10 − xBaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 mit x = 0, 2,5, 5, 7,5 und 10 Mol-% Glasproben sind in Abb. 1 dargestellt. Ein breiter breiter Peak wurde bei \( 2\uptheta \ungefähr 25\), was das glasartige Verhalten unseres Glassystems bestätigt. Abbildung 2 zeigt DSC-Kurven der Zusammensetzungsabhängigkeit des Glassystems. Die Kurven zeichnen sich durch eine endotherme Drift aufgrund der Glasübergangstemperatur (Tg) und einen großen exothermen Peak entsprechend der Kristallisation (Tc) aus. Die Glasübergangstemperatur verschiebt sich mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt zu höheren Werten und liegt zwischen 280 und 320 °C. Darüber hinaus verschob sich Tc je nach Probenzusammensetzung von 314 auf 347 °C. Beispielsweise hängt die thermische Stabilität und Viskosität des Glases hauptsächlich von der Temperaturdifferenz zwischen dem Glasübergangs- und dem Kristallisationspunkt ab11. Die Temperaturdifferenz ΔT = Tc − Tg schwankte mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt leicht von 36 auf 31 °C. Auch die Änderung der Koordinationszahl des Netzwerkbildners und der Aufbau von nicht verbrückenden Sauerstoffatomen (NBOs) korrelierten mit Tg. Der Aufbau von NBOs führt zu einer Verringerung des Tg2,3. In der vorliegenden Arbeit deutet der kontinuierliche Anstieg der Tg auf einen kontinuierlichen Anstieg der Koordinationszahl und die Zerstörung von NBO-Atomen hin.

Röntgenbeugungsmuster von Gläsern im abgeschreckten Zustand.

DSC-Kurven für Gläser im abgeschreckten Zustand.

HRTEM, selektive Flächenelektronenbeugungsmuster (SAED) und der interplanare Abstand der Glasproben im abgeschreckten Zustand wurden in den Abbildungen dargestellt. 3 bzw. 4. In der amorphen Glasmatrix wurden zufällig verteilte Nanocluster ausgefällt. Die SAED-Muster der Glasproben im abgeschreckten Zustand bestätigen die amorphe Natur. Allerdings deuten Flecken in diesem Muster auf die Existenz von Nanoclustern hin, die mit der Glasprobe in Zusammenhang stehen. Abbildung 4 zeigt den interplanaren Abstand der geordneten Phasen der in der Glasmatrix behinderten polaren Nanocluster. Das Auftreten von Diskontinuitäten bei Kristalldefekten und das Vorhandensein von Zwillingsgrenzen unterstützen das ferroelektrische Relaxor-ähnliche Verhalten der Probe. Dieser Punkt wurde in unserer kürzlich veröffentlichten Arbeit12,13 ausführlich untersucht.

HRTEM der so vorbereiteten Glasproben, der Einschub ist das SAED.

Der in den vorliegenden Glasproben beobachtete interplanare Abstand.

Abbildung 5 zeigt XRD-Muster wärmebehandelter Gläser bei 350 °C für 2 Stunden. Ein breiter Peak, der immer noch mit einer teilweise nanokristallisierten Matrix verbunden ist, bestätigt die Bildung von GCNs. Ein kleiner (120) Peak im XRD-Ergebnis bei 25,97° von 10 % PT-GCNs entspricht dem monoklinen Pb2V2O7. Das XRD-Muster stimmt mit der JCPDS-Karte Nr. 01-084-1458 überein. Für 10 % BT-GCNs entspricht der (311)-Peak bei 25,83° monoklinem Ba2V4O13. Darüber hinaus kommen Ba2V4O13/Pb2V2O7 in GCNs mit gemischtem PT- und BT-Gehalt nebeneinander vor. Mithilfe der Scherrer-Gleichung wurde die Kristallgröße in GCNs berechnet, die zwischen 7 und 15 nm lag5. Das Vorhandensein sehr feiner Kristallite, die in die Glasmatrix eingebettet sind, wurde auch mithilfe von HRTEM beobachtet, Abb. 6. Das SAED-Muster des 5 % BT-Glaskeramik-Nanokomposits ist im Einschub von Abb. 6 dargestellt. Beugungspunkte aus nanokristallinen Phasen werden mit einer durchschnittlichen Größe beobachtet, die größer ist als bei den so hergestellten Glasproben. Aus der Abbildung geht klar hervor, dass die Beugungsflecken einen hohen Grad an Unordnung aufweisen.

Röntgenbeugungsmuster von GCNs.

HRTEM von 5 % BT-Glaskeramik-Nanokomposit (a) zeigt das Vorhandensein großer Partikel in der Glasmatrix und (b) zeigt den d-Abstand kleiner Körner.

Die Glasdichte im abgeschreckten Zustand nimmt von 3,5 auf 2,84 g/cm3 ab, während das Molvolumen mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt kontinuierlich von 3,15 auf 3,7 cm3 zunimmt, wie in Tabelle 1 gezeigt. Nach einer Wärmebehandlung bei 350 °C für 2 Stunden sind diese Werte steigen. Dieser Anstieg wurde neben der Umwandlung von verbrückenden Sauerstoffatomen in nicht verbrückende Sauerstoffatome auch auf die verstärkte Bildung von Borattetraedern zurückgeführt. Auch die Bildung nichtkristalliner Phasen im Vergleich zu entsprechenden Gläsern spielte bei höheren Dichtewerten eine wesentliche Rolle.

Es wurde nachgewiesen, dass die elektrische Leitung in Gläsern, die aus Übergangsmetalloxiden (TMOs) bestehen, elektronischer Natur ist. Es wird angenommen, dass der Leitungsprozess aufgrund des Elektronenspringens zwischen den Ionen erfolgt, die in unterschiedlichen Valenzzuständen im Glas vorliegen. Abbildung 7a,b zeigt die Variationen der Gleichstromleitfähigkeit (σ) des Glases und der entsprechenden GCNs als Funktion der reziproken absoluten Temperatur. Die Abbildung zeigt eine lineare Temperaturabhängigkeit bis zu einer bestimmten Temperatur (θD/2), (θD: Deby-Temperatur), und plötzlich ändert sich die Steigung mit der Abweichung von der Linearität. Zusammen mit der Aktivierungsenergie ist sie temperaturabhängig. Im Allgemeinen wird bei Glassystemen, die TMOs14,15 enthalten, die elektrische Leitung bei Temperaturen über θD/2 durch die Austin-Mott-Theorie der Small Polaron Hopping (SPH)-Leitung16,17 erklärt.

Temperaturabhängigkeit der Gleichstromleitfähigkeit (ln σ) unterschiedlicher Zusammensetzung für (a) die Glasproben (b) GCNs.

Hochtemperaturaktivierungsenergien wurden aus der Steigung jeder Kurve im höchsten Bereich der gemessenen Temperaturen erhalten. Die experimentellen Leitfähigkeitsdaten in dieser Situation werden durch die Aktivierungsenergie für die Leitung gut beschrieben:

Dabei ist σo der präexponentielle Faktor, W die Aktivierungsenergie, kB die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur. Die Vielfalt der Hochtemperaturleitfähigkeiten und der Hochtemperaturaktivierungsenergien von Gläsern und entsprechenden GCNs ist in Abb. 8 dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass die Leitfähigkeit abnimmt, während die Aktivierungsenergie mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt zunimmt.

Einfluss des BaTiO3-Gehalts auf die Aktivierungsenergie (W) und die Gleichstromleitfähigkeit (ln σ) bei fester Temperatur (400 K) für die Glas- und GCN-Proben.

Die Aktivierungsenergien für die Leitung der Glasproben betrugen bei hohen Temperaturen W = 0,338–0,495 eV. Es ist bekannt, dass durch die Zugabe von BaTiO3 zur Glasmatrix die Leitfähigkeit aufgrund der Verringerung der NBO-Kationen verringert wird18. Dies führt zu einer Verringerung der offenen Struktur, durch die sich die Ladungsträger mit geringerer Mobilität bewegen können. Die Aktivierungsenergien für die Leitung der GCNs betrugen = 0,179–0,244 eV. Wie aus der Abbildung hervorgeht, nimmt die Leitfähigkeit ab, während die Aktivierungsenergie mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt zunimmt, ähnlich wie bei den Glasproben. Allerdings gibt es eine enorme Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der GCNs. Diese Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit kann auf die Zunahme der nanokristallinen Pb2V2O7-Phasen in der Glasmatrix zurückgeführt werden, was die Konzentrationen der V-Ionenpaare erhöht4,5. Diese Ergebnisse stimmen mit den XRD-Ergebnissen überein.

Darüber hinaus kann die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der untersuchten GCNs um etwa sechs Größenordnungen wie folgt erklärt werden: Der Schlüssel für die elektronische Leitung in Gläsern mit hohem V2O5-Gehalt ist die räumliche Verteilung der V4+- und V5+-Ionen, die als Sprungzentren für Elektronen dienen19,20. Bei Ausgangsglas gibt es eine leichte Zufallsverteilung solcher Zentren. Das frühe Stadium der Nanokristallisation bei Temperaturen nahe der Kristallisationstemperatur erhöht jedoch die Kristallinität der Bildung von Nanokristalliten aus V2O5 innerhalb der Glasmatrix. Da die durchschnittliche Größe dieser Körner so klein ist, ist der Grenzflächenbereich zwischen kristalliner und amorpher Phase weit verzweigt und hat großen Einfluss auf alle elektrischen Eigenschaften des Nanomaterials. Insbesondere kann es die verbesserte Konzentration von V4+- und V5+-Zentren enthalten, die auf der Oberfläche von V2O5-Kristalliten verteilt sind19. Abbildung 9 zeigt die Abhängigkeit der Gleichstromleitfähigkeit (ln σ) als Funktion des BaTiO3-Gehalts für Glas und entsprechende GCNs bei einer festen Temperatur (400 K). Aus der Abbildung wird deutlich, dass es nach der Wärmebehandlung zu einem massiven Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit um etwa 6 Größenordnungen kommt.

Einfluss des BaTiO3-Gehalts auf die Gleichstromleitfähigkeit (ln σ) bei fester Temperatur (400 K) für die Gläser und entsprechenden GCN-Proben.

Darüber hinaus lassen die Abnahme der Gleichstromleitfähigkeit und der Anstieg der Aktivierungsenergien der mit Nieten versehenen Proben auf einige Veränderungen in den Leitungsmechanismen schließen. Es wurde bereits berichtet21,22, dass in Gläsern, die aus Vanadium bestehen, die Gleichstromleitfähigkeit elektronischer Natur ist und stark vom durchschnittlichen Abstand R zwischen den Vanadiumionen abhängt. Der durchschnittliche Abstand R wurde für die mit Nieten versehenen Proben (siehe Tabellen 1 und 2) aus der Beziehung R = (1/N)1/3 berechnet, wobei N die Konzentration von Vanadiumionen pro Volumeneinheit ist, berechnet aus der Chargenzusammensetzung und die gemessene Dichte. Die Dichte d, die Konzentration von Vanadiumionen pro Volumeneinheit N und der durchschnittliche Abstand R sind in den Tabellen 1 und 2 für alle Noppensysteme aufgeführt. Die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Abstand R, der Aktivierungsenergie W und der Gleichstromleitfähigkeit ln σ für Gläser und entsprechende GCNs ist in Abb. 10 dargestellt. Andererseits enthält der theoretische Ausdruck für diese Energie einen Term W = W0( 1–rp/R), wobei W0 konstant ist und rp den Radius eines kleinen Polarons bezeichnet17,21. Insgesamt nimmt die elektronische Leitfähigkeit zu, während die Aktivierungsenergie abnimmt, wenn der Abstand R zwischen den Sprungzentren abnimmt.

Einfluss des durchschnittlichen Abstands (R) auf die Aktivierungsenergie (W) und die Gleichstromleitfähigkeit (ln σ) bei fester Temperatur (400 K) für verschiedene Glas- und GCN-Proben.

Der Gleichstromleitungsprozess in TMO-Gläsern wurde von Mott16 in einem Modell untersucht, in dem der Leitungsprozess durch Phononen-unterstütztes Springen kleiner Polaronen zwischen lokalisierten Zuständen bei hohen Temperaturen T > θD/2 gekennzeichnet ist. Für ein nichtadiabatisches Sprungregime, bei dem der Elektronensprung bei jeder Anregung gering ist, kann die Gleichstromleitfähigkeit ausgedrückt werden durch

Der präexponentielle Faktor σo in Gl. (2) ist gegeben durch

Dabei ist ʋo die optische Phononenfrequenz, die aus den elektrischen Leitfähigkeitsdaten nach der Beziehung (kB θD = hʋo) berechnet wird. Die Werte von ʋo sind in Tabelle 2 aufgeführt, N ist die Übergangsmetallionendichte, R der durchschnittliche Abstand zwischen Übergangsmetallionen ( = (1/N)1/3), C ist der Anteil des reduzierten Übergangsmetallions (C = V+4/Vtotal), W ist die Aktivierungsenergie für die Sprungleitung und α ist der Tunnelfaktor (das Verhältnis der Welle). Funktionszerfall). Austin und Mott deuteten eine starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung an und zeigten Folgendes17.

Dabei ist WH die Sprungenergie und WD die Unordnungsenergie, die die Differenz der elektronischen Energien zwischen zwei Sprungstellen darstellt.

Dabei ist ɛs die statische Dielektrizitätskonstante und L eine Konstante mit dem Faktor 0,3.

Beim adiabatischen Sprungregime würde das Elektron während der Anregung zwischen Sprungstellen hin- und herwechseln. In diesem Fall αR in Gl. (2) und (3) werden vernachlässigbar16,17. In diesem Bereich sind die Leitfähigkeit und der präexponentielle Faktor in Gl. (2) und (3) wurden wie folgt beschrieben:

Die Art des Polaron-Hopping-Mechanismus (adiabatisch oder nicht-adiabatisch) kann aus einer Auftragung von ln σ gegen die Aktivierungsenergie W bei fester Temperatur T23 ermittelt werden. Wenn die aus der Steigung eines solchen Diagramms geschätzte Temperatur Te nahe an der experimentellen Temperatur T liegt, liegt die Sprungleitung im adiabatischen Bereich. Wenn jedoch die geschätzte Temperatur Te von der experimentellen Temperatur T abweicht, liegt die Leitung im nichtadiabatischen Bereich. Abbildung 10 zeigt die Beziehung zwischen ln σ und der Aktivierungsenergie W für Gläser und GCNs bei T (400 K). Die aus den Steigungen der Diagramme berechneten geschätzten Temperaturen betragen Te = 753,5 und Te = 529,9 für Gläser und GCNs, was sich von der experimentellen Temperatur unterscheidet. Infolgedessen können wir bestätigen, dass der Leitungsmechanismus in den vorliegenden Proben auf nichtadiabatischem SPH von Elektronen beruht17.

Der nichtadiabatische Leitungsmechanismus wird auch durch die Berechnung der Polaronbandbreite (J) anhand der folgenden Beziehung bestätigt24:

Die Werte von J, die aus der rechten Seite (RHS) der Gleichung berechnet wurden. (9) oder (10) bei fester Temperatur (400 K) liegen für die Glasproben im Bereich von (0,015–0,018) eV und für die GCNs im Bereich von (0,003–0,014) eV. Um zu klären, ob sich das Polaron im adiabatischen oder im nichtadiabatischen Bereich befindet, ist eine Schätzung des Werts von J erforderlich, der aus25 erhalten werden kann.

Wo

wobei ɛs und \({\varepsilon }_{\infty }\) die statischen bzw. Hochfrequenz-Dielektrizitätskonstanten der Proben sind. \({\varepsilon }_{p}\) die effektive dielektrische Permittivität.

Und \(N({E}_{F})\) ist die Zustandsdichte auf Fermi-Ebene, die aus dem folgenden Ausdruck16 geschätzt wird.

Tabelle 1 zeigt die Werte von \(\mathrm{N}({\mathrm{E}}_{\mathrm{F}})\) von Glas und GCNs, dann die berechneten Werte von J aus Gl. (11) beträgt etwa \(\mathrm{J}\ungefähr 0,0003\) für Gläser und etwa \(\mathrm{J}\ungefähr 0,0001\) für GCNs, die weit kleiner sind als diejenigen, die aus der RHS von Gl. berechnet wurden. (10) bestätigt erneut die nichtadiabatische Sprungleitung bei hoher Temperatur für diese Proben.

Im adiabatischen Regime wird die Sprungleitung WH durch den J-Wert as angegeben

Dabei ist Wp die Polaron-Bindungsenergie, W/p die maximale Polaron-Bindungsenergie und WH von R26 abhängt.

Ansonsten ist WH für nichtadiabatische Sprungleitung gegeben durch

Unter Verwendung der in Tabelle 1 gezeigten Werte der Fehlordnungsenergie WD und der Aktivierungsenergien W erhalten wir WH im Bereich von (0,338–0,493) eV für die Glasproben und im Bereich von (0,179–0,244) eV für die GCNs. Diese Werte liegen sehr nahe an den W-Werten der untersuchten Systeme.

Als nächstes können unter Verwendung der Werte des mittleren Abstands zwischen Vanadiumionen, R (Tabelle 1), die Polaronradien aus der Beziehung25 berechnet werden.

Die Werte von \({r}_{p}\) und R für Glas und entsprechende GCNs sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

Die Werte der kleinen Polaron-Kopplungskonstante, ein Maß für die Elektron-Phonon-Wechselwirkung, wurden ebenfalls für die untersuchten Systeme berechnet16. Die geschätzten Werte sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Wert > 4 weist normalerweise auf eine starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung27 hin. Die aufgeführten Werte zeigen eine Abnahme mit abnehmendem BaTiO3-Gehalt.

Die Hopping-Carrier-Mobilität \(\mu\) in den adiabatischen und nicht-adiabatischen Hopping-Regionen wird durch die folgenden Gleichungen28 beschrieben.

Außerdem wurden die Trägerdichtewerte (Nc) aus der Beziehung29 berechnet.

Die Werte von \(\upmu\) und Nc für Glas und entsprechende GCNs sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Trägermobilität bei 400 K der untersuchten Systeme ist sehr gering, was darauf hindeutet, dass die Elektronen entsprechend stark an den V-Ionenstellen lokalisiert sind Aufgrund der starken Elektron-Phonon-Wechselwirkung ist das große γp27. Da der Zustand der lokalisierten leitfähigen Elektronen im Allgemeinen \(\upmu <0,01\) cm2V−1 s−127 beträgt, bestätigt dies die Bildung kleiner Polaronen in unseren Proben. Außerdem weist die Konstante Nc ~ 1018 darauf hin, dass die Leitfähigkeit solcher Proben durch die Sprungmobilität bestimmt wird30,31,32,33.

Glassysteme aus (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 mit x = 0, 2,5, 5, 7,5 und 10 Mol-% wurden erfolgreich mit der herkömmlichen Schmelzabschrecktechnik hergestellt. Die amorphe Natur wurde durch XRD und DSC bestätigt. Die HRTEM-Mikrofotografie zusammen mit SAED verdeutlichte das Vorhandensein polarer Nanocluster in der Glasmatrix und deren Vergrößerung durch Wärmebehandlung der Glasproben. Es wurde festgestellt, dass die Dichtewerte des Glases mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt ansteigen, während die Dichtewerte der GCN-Proben abnehmen. Es wird angenommen, dass der Gleichstromleitungsprozess durch Elektronenhüpfen zwischen den Ionen erfolgt, die in unterschiedlichen Valenzzuständen im Glassystem vorliegen (das Hüpfen findet zwischen den V4+- und V5+-Ionen statt). Die Gleichstromleitfähigkeit im Glassystem nimmt ab, während die Aktivierungsenergie mit zunehmendem BaTiO3-Gehalt zunimmt. Nach der Wärmebehandlung der Glasproben kommt es zu einer enormen Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in GCNs. Die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit kann auf die Zunahme der nanokristallinen Phasen in der Glasmatrix zurückgeführt werden, wodurch die Konzentrationen der V-Ionenpaare steigen. Die nichtadiabatische Natur des Polaron-Hopping-Mechanismus wurde in vorliegenden Proben bestätigt. Die Trägerdichte ist nahezu konstant (Nc ~ 1018 cm−3), was bedeutet, dass die Leitfähigkeit dieser Proben hauptsächlich durch die Sprungmobilität bestimmt wird.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der King Khalid University für die Finanzierung dieser Arbeit durch ein Großgruppenforschungsprojekt unter der Fördernummer RGP2/193/44.

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, Suez-Universität, Suez, Ägypten

Amany E. Harby & MM El-Desoky

Abteilung für Naturwissenschaften und Mathematik, Fakultät für Erdöl- und Bergbautechnik, Suez-Universität, Suez, 43721, Ägypten

Ahmed E. Hannora

Fachbereich Physik, Fakultät für Naturwissenschaften, King Khalid University, Abha, Saudi-Arabien

Atif Mossad Ali

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Alle Autoren teilen sich die Beiträge gleich, alle Autoren erstellten Abbildungen, alle Autoren überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit MM El-Desoky.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Harby, AE, Hannora, AE, Ali, AM et al. Nanokristallisation im Frühstadium als Methode zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von mit Blei/Bariumtitanat dotierten Vanadiumboratgläsern. Sci Rep 13, 12498 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37230-w

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Eingegangen: 14. April 2023

Angenommen: 18. Juni 2023

Veröffentlicht: 02. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37230-w

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