MODELO PARA RESUMO EXPANDIDO

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DO Al 2 O 3 :Nd
Eduardo dos Santos Ferreira 1 , Sonia Hatsue Tatumi 2 , Alexandre Ventieri 2 e Katia Alessandra Gonçalves 2
1 Universidade Federal do ABC
2 Faculdade de Tecnologia de São Paulo
eduardo.ferreira@ufabc.edu.br, sonia.tatumi@gmail.com
Resumo
No presente trabalho, alumina dopada com Nd foi
sinterizada pelo método da calcinação polimérica.
Através da análise de impedância verificou-se que o
processo de condução do material mudou do contorno
do grão para o interior do grão, formando mais dipolos
elétricos, devido à presença do Nd. Altas constantes
dielétricas foram observadas para todas as amostras
dopadas com Nd. A amostra dopada com 5 mol% de Nd
apresentou o menor tempo de relaxação, indicando ser a
melhor escolha para um estudo mais aprofundado para a
construção de um sensor capacitivo de radiação.
1. Introdução
Materiais cerâmicos possuem uma estrutura
policristalina complexa de micro e nano partículas, que
definem suas propriedades físicas [1,2]. Controlando a
concentração de reagentes e os processos de produção,
podemos obter as mais variadas composições
estruturais. Deste modo através do controle cuidadoso
dos processos produtivos podem-se obter materiais com
propriedades físicas específicas, como por exemplo,
rigidez dielétrica, condutividade, fotoluminescência e
termoluminescência. Estas propriedades podem ser
alteradas pela presença de nanoestruturas compostas de
impurezas adicionadas durante o processo de
sinterização. Atualmente, esforços têm sido realizados
para compreender a formação de nanoestruturas dentro
de materiais cerâmicos e as propriedades físicoquímicas
oriundas deste processo [3-7].
Dentro deste contexto, a alumina é o material com
maior potencial para ser utilizado em várias aplicações
tecnológicas, devido a sua abundancia e suas excelentes
propriedades térmicas e elétricas. Exemplos básicos do
uso da alumina são os dielétricos em capacitores,
materiais refratários e abrasivos industriais e em
implantes médicos [8].
As propriedades dielétricas dos materiais dependem
diretamente do número de dipolos elétricos presentes no
material e de sua polarização. Este número está
relacionado com a microestrutura do material, seus
defeitos e a presença de impurezas. Por exemplo, um
sensor de raios-X interage com a radiação e
consequentemente alguns estados excitados são criados
dentro da estrutura de bandas de energia do material,
alterando a sua polarização dielétrica.
Sabe-se que a capacitância muda devido a exposição
a agentes físicos e químicos, e desta forma, neste
trabalho apresentamos o estudo da alumina dopada com
Nd como sensor dosimetrico capacitivo.
2. Experimental
Alumina pura e dopada com Nd foi sinterizada pelo
processo de calcinação por precursor polimérico. O
primeiro passo é obter um composto de poliéster onde
cátions de alumina estão ligados a cadeia polimérica. O
poliéster é obtido através da reação química entre o
ácido cítrico e etilenoglicol na presença de nitrato de
alumina, esta última é a fonte de átomos de alumina.
Após este processo, o poliéster já dopado é queimado a
uma temperatura de 1100 o C, com o objetivo de obter
alumina. Os átomos de Nd são adicionados na forma de
óxido, que se reduz na presença de ácido nítrico. O
método de calcinação polimérica permite a produção de
um material muito homogêneo e de alta pureza, visto
que os subprodutos da reação são eliminados no
processo de calcinação, na forma de produtos gasosos
[9-12]. Após estes processos o pó de alumina é prensado
em pastilhas de 10mm de diâmetro, com uma prensa de
1000 kgf de pressão.
A caracterização elétrica das amostras consiste na
extração da curva de impedância (Z) e ângulo de fase
(θ) em função da frequência (f). A faixa de frequência
utilizada foi de 100Hz a 15MHz. A partir destes valores
o equipamento determina a capacitância (C p ) e a
resistência paralela (R p ) das amostras. A partir destes
valores foram calculadas a parte real e imaginária da
constante dielétrica (ε e ε' respectivamente), usando as
equações 1 e 2 [8]:
t C
A
P
'
(1)
o
t
' 2 f R P
A
' (2)
onde o é a constante dielétrica no vácuo (8,85x10 -12
F/m), A é a área dos eletrodos (19,63x10 -6 m 2 ), t é a
espessura das amostras e f a frequência (Hz). A
espessura das amostras é determinada através do
micrômetro acoplado a ponta de prova para medidas
dielétricas (Agilent 16451B).
Após a obtenção da parte real e imaginária da
constante dielétrica do material é construído um gráfico
de ε' por ε'', ou diagrama de Cole-Cole. A partir deste
diagrama é calculado o tempo de relaxação do material
o

e o número de dipolos elétricos (polarização), através da
equação de Debye [8]:
S
1
j
(3)
' j'
'
onde
é a contante dielétrica complexa, τ é
o tempo de relaxação, ω é a frequência angular, ε S é a
constante dielétrica em corrente continua e ε é a
constante dielétrica em frequência infinita.
O valor do tempo de relaxação é determinado a
partir do centro do semicírculo de Cole-Cole,
considerando que nesta condição:
τ =1
(4)
ou
2
1
f (5)
C
onde f C é a frequência correspondente ao centro do
semicírculo.
3. Resultados e Discussões
A Figura 1 exibe o resultado da análise de
impedância. A interseção do semicírculo à direita
corresponde a ε e a interseção a esquerda corresponde
a ε S . Os semicírculos obtidos são achatados e
descentralizados, indicando a presença de dois
fenômenos, um em altas frequências e outro em baixas
frequências. Em altas frequências a condução ocorre
dentro dos grãos e entre os grãos, e em baixas
frequências a condução é através dos contornos de grão.
Na alumina dopada a condução prevalece através dos
contornos de grão, conforme a dopagem de Nd aumenta
a condução passa a ser dentro dos grãos e entre os grãos,
isto é o Nd aumenta a resistividade do contorno de grão.
Figura 1 – Diagrama de Cole-Cole das amostras, os
eixos x e y correspondem ε' por ε'' respectivamente.
Tabela I: Momentos de dipolo por unidade de volume,
tempo de relaxação e frequência onde ocorre o centro
do semicírculo.
Amostra
Al 2 O 3 :Nd
f C
(Hz)
τ
(μs)
P
(nC/m 3 )
0% 12.599 12,63 25
5% 143.847 1,11 29
10% 87.598 1,82 33
4. Conclusões
Verificamos que o processo de condução do material
mudou do contorno do grão para o interior do grão. A
introdução do Nd aumentou o número de dipolos
elétricos e reduziu o tempo de relaxação do material.
Dentre as amostras, a dopada com 5 mol% de Nd
apresentou o menor tempo de relaxação, sugerindo que
esta pode ser vir a ser a melhor escolha para o
desenvolvimento de um sensor radioativo por
capacitância.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP e ao CNPq pelo
apoio financeiro e pelas bolsas concedidas.
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