Síntese e caracterização de cerâmicas piezoelétricas de niobato de sódio: um estudo teórico e experimental
Date
2024-07-26Metadata
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O niobato de sódio (NN) é uma promissora composição piezoelétrica para substituir o titanato zirconato de chumbo (PZT). Apesar de ser conhecido por seu comportamento antiferroelétrico e já ser utilizado em diversas aplicações tecnológicas, a possibilidade de fases ferroelétricas à temperatura ambiente pode ampliar sua aplicabilidade e tem aumentado o interesse de cientistas e pesquisadores neste composto piezoelétrico sem chumbo. Baseado nestas considerações, este trabalho apresenta um estudo sistemático do NN, combinando simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e avaliações experimentais em amostras obtidas pelo método hidrotérmico assistido por micro-ondas. A parte computacional abordou todas as fases do NN, com foco principal nas fases P1m1, P21ma e Pbcm, presentes à temperatura ambiente, onde as estruturas foram analisadas com base no padrão de difração de raios-x, espectros Raman e perfis da estrutura cristalina. Com base nas constantes piezoelétricas, foi possível avaliar o possível comportamento ferroelétrico, antiferroelétrico ou paraelétrico apresentado por cada estrutura. Na parte experimental, as amostras obtidas foram caracterizadas, pastilhadas e polarizadas para a verificação do comportamento piezoelétrico. Os resultados computacionais revelaram diferenças sutis entre as fases monoclínica P1m1 e ortorrômbicas Pbcm e P21ma nos padrões de difração. No espectro Raman, não houve distinção entre os modelos P21ma e P1m1, sugerindo que se trata da mesma estrutura. As propriedades piezoelétricas dos modelos ferroelétricos P21ma e P1m1 apresentaram valores praticamente iguais, contudo, o modelo monoclínico exibiu outras posições com constantes diferentes de zero. A fase R3c também apresentou valores não nulos para as constantes piezoelétricas, sugerindo que apenas estas três estruturas são ferroelétricas, e que as demais são antiferroelétricas ou paraelétricas. O arranjo e características octaédricas do modelo Pbcm sugere que esta fase é formada pelo empilhamento de duas estruturas P21ma sobrepostas e invertidas em 180°, o que explica o comportamento antiferroelétrico da estrutura Pbcm. Nas avaliações experimentais, tanto amostras com tratamento térmico quanto amostras sinterizadas exibiram padrão de difração compatíveis com os modelos Pbcm ou P21ma, mas sem indicar conclusivamente a qual grupo pertencem. No entanto, o espectro Raman indicou que ambas são compatíveis com a estrutura ortorrômbica P21ma. A análise do comportamento piezoelétrico revelou alinhamento dipolar após polarização em campo elétrico de baixa intensidade, confirmando que as amostras obtidas por síntese hidrotérmica assistida por micro-ondas são ferroelétricas e compatíveis com o modelo ortorrômbico P21ma.