Effet de l’incorporation de l’yttrium et du cérium sur les propriétés structurales, optiques et diélectriques des phases dérivant de BaTiO3

Abstract

La substitution de BaTiO3 par des éléments de terres rares améliore sa permittivité et donne lieu à d'excellentes propriétés électriques qui jouent un rôle majeur dans l'industrie électronique. Des échantillons en poudre de BaTiO3 substitués à l’yttrium, Ba1-xYxTi(1-x/4)O3 (x = 0, 1, 3, 5, 7 et 9%), ont été préparés par le procédé sol-gel et calcinés à une température relativement basse (950°C pendant 4h). L'analyse structurale a montré que l'yttrium peut occuper les sites Ba et Ti. Les images MEB ont révélé que l'incorporation de l’yttrium dans la matrice BaTiO3 réduit la taille des grains des échantillons. La substitution à l’yttrium introduit un désordre croissant dans les échantillons avec l’augmentation de x, comme le montrent les valeurs extraites de l'énergie de gap et de l'énergie d’Urbach issues de l'étude UV-Vis. Les mesures diélectriques ont montré des valeurs relativement élevées de la permittivité diélectrique sans effet de relaxation de ce paramètre mais avec la présence d'un faible caractère diffus de la transition ferro-paraélectrique. De faibles valeurs de pertes ont été observées et la courbe de dépendance en fréquence de la permittivité pour la concentration 1% a montré que l’échantillon s'approche de sa fréquence de résonance. De plus, un faible effet du coefficient de température positif de la résistivité (PTCR) a été observé pour tous les échantillons, et la température de transition n’est pas fortement influencée par l'incorporation de Y dans la matrice BaTiO3. Afin de baisser cette température de transition, nous avons préparé une série d’échantillons de BaTi0.97Y0.03O3 substitués au cérium, (Ba1-xCex)(Ti(0.97-x/4)Y0.03)O3 (x = 0, 1, 3, 5, 7 et 9%), en utilisant le procédé sol-gel. L'analyse structurale a montré que les échantillons cristallisent dans la phase pseudo cubique avec la présence d’une phase secondaire BaCeO3 pour des concentrations supérieures à 3%. Les images MEB ont montré une diminution de la taille des grains jusqu'à la concentration 7% en cérium. L’analyse par spectroscopie Raman a montré l’apparition du mode A1g, que nous attribuons à l'effet d'incorporation de Ce3+ et Y3+ dans la matrice BaTiO3. Les mesures diélectriques ont montré que la substitution au cérium abaisse la température de transition, et les paramètres piézoélectriques ont été déterminés et leur comportement thermique étudié. L'étude d'impédance a indiqué que le mécanisme de conduction est fortement affecté et dominé par les joints de grains dans la matrice BaTi0.97Y0.03O3.