Materiais dielétricos para operação em microondas constituem um ponto importante para usos em sistemas de comunicação móvel/via satélite, incluindo sistemas de monitoramento terrestres, internet/telefonia para celulares, internet das coisas, além do interesse militar para elaboração de radares. Avanços importantes nesse setor tecnológico só foram outorgados, graças ao emprego ostensivo de ressoadores dielétricos (RDs). Esses dispositivos constituem cerâmicas óxidas com baixa perda dielétrica em microondas, com demanda para sua miniaturização. O sistema deverá possuir alta constante dielétrica nesse intervalo e o dispositivo deve ser termicamente estável, ou seja, suas propriedades dielétricas não se alterarão com a temperatura. A busca por materiais de alto desempenho resultou na descoberta das perovskitas ordenadas 1:1 e 1:2, com estequiometria A2BBO6 e A3BB2O9, respectivamente. Tais sistemas ordenam o sítio B, da perovskita ABO3, gerando o empilhamento dos planos cristalinos com B e B, intercalados e na direção [1 1 1]c. Os resultados da literatura mostram que o ordenamento possui papel fundamental na obtenção de ressoadores de baixa perda dielétrica. Ademais, poucos estudos reportam as propriedades dos sistemas contendo os cátions Ca e Nb, no sítio B. Portanto, essa tese dedicou-se à investigação das propriedades dielétricas do sistema Ba3CaNb2O9 e, posteriormente, a modificação desse com a substituição dos cátions Ba2+ por Sr2+ e La3+. As amostras foram preparadas pelo método de reação do estado sólido e, posteriormente, caracterizadas pela difração de raios X, espalhamento Raman, espectroscopia de impedância e desempenho em microondas, além de técnicas complementares como análise térmica, densidade por imersão e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados demonstraram a coexistência dos domínios 1:1 e 1:2 no sistema Ba3CaNb2O9, sendo possível manipulá-los mediante condições da sinterização. Microestruturalmente, esses domínios são regiões no cristalito com diferentes ordens catiônicas e, assim, com propriedades cristalográficas e vibracionais diferentes. Pela impedância, notou-se que o ressoador Ba3CaNb2O9 tende a conduzir mais quando possui uma tendência para o domínio 1:1. Tal resultado foi confirmado em microondas, onde a redução da perda dielétrica foi correlacionada à diminuição do domínio 1:1 na estrutura cristalina dos ressoadores. Na solução sólida com Sr2+, uma transição da fase trigonal D3d3 para monoclínica C2h3 foi detectada nos pós-calcinados, sendo oriunda das inclinações octaédricas do sistema de Glazer a0b-b-. As cerâmicas desse sistema foram sinterizadas a 1500 °C por 26 h, cujo resultado ilustrou uma tendência à ordem 1:1 para x ≥ 0,30. No sistema com La3+, observou-se, além da coexistência, os monodomínios 1:1 e 1:2. O sistema com monodomínios 1:1, BaLaCaNbO6 (y = 0,50), evidenciou uma distorção monoclínica intrínseca. Esta distorção foi associada às inclinações octaédricas do sistema de Glazer a0b-b-, reduzindo a simetria da fase cúbica Oh5 para monoclínica C2h3. Por fim, o desempenho como ressoador dielétrico dos sistemas BaLaCaNbO6 e Ba3CaNb2O9 foi avaliado. O primeiro sistema mostrou os seguintes valores: permissividade relativa εg ∼ 26, Qu × fR ∼ 10.506 GHz e coeficiente τf ∼ -55 ppm.K-1. O segundo sistema revelou os dados: permissividade εg ∼ 43, Qu × fR ∼ 15.752 GHz e o coeficiente τf ∼ 278 ppm.K-1. / Dielectric materials for microwave applications play an important role in mobile and satellite communication systems, including terrestrial monitoring, internet/mobile devices, internet of things, as well as the military uses as the radar developments. Advances in this technological field were only possible due to the ostensive use of dielectric resonators (DRs). These devices constitute oxide ceramics with a low dielectric loss in microwave frequency. The system must have high dielectric constant and such a device must be thermally stable. The search for highperformance materials granted the discovery of 1:1 and 1:2 ordered perovskites, with general formula A2BBO6 and A3BB2O9, respectively. These systems depict the B-site ordering of ABO3 perovskite, inducing the crystalline planes stacking in the [1 1 1]c direction. The literature results showed that the ordering plays an essential role in the low loss ceramics. Moreover, few studies reported the features of the systems containing the Ca and Nb cations at the B-site. Therefore, our work drives the dielectric properties of the Ba3CaNb2O9 system and, then, the modification induced by Ba2+ substitution by Sr2+ and La3+. The samples were prepared by the conventional solid-state reaction method and probed by X-ray diffraction, Raman scattering, impedance spectroscopy and microwave performance, as well as other techniques such as thermal analysis, density measurement, and electron microscopy. Our findings elucidated the coexistence of 1:1 and 1:2 domains in Ba3CaNb2O9 ceramics, being possible to manipulate them by sintering conditions. Such an ordered domain denotes regions in the crystallites with different cationic order and with different crystallographic and vibrational behavior. By the impedance spectroscopy, it was observed that Ba3CaNb2O9 ceramics tend to conduct more when they present a tendency towards the 1:1 domains. The earlier result was also confirmed in microwave frequency, in which the dielectric loss decreasing was correlated to the decrease of the 1:1 domain in the crystal structure. In the strontium solid solution, a transition from the D3d3 trigonal phase to the C2h3 monoclinic one was noted in powder samples, being derived from octahedral tilting (a0b-b- Glazer system). In the lanthanum system, besides the coexistence, the monodomains 1:1 and 1:2 were observed. Otherwise, the 1:1 monodomain system, BaLaCaNbO6 (y = 0.50), exhibited an intrinsic monoclinic distortion. This distortion was ascribed to the octahedral tilting (a0b-b- Glazer system), lowering the crystal symmetry from Oh5 cubic phase to the C2h3 monoclinic phase. The dielectric resonator performances of the BaLaCaNbO6 and Ba3CaNb2O9 systems were evaluated. The first system showed the following values: permittivity εg ∼ 26, Qu × fR ∼ 10.506 GHz and coefficient τf ∼ -55 ppm.K-1. The second system exhibited the data: permittivity εg ∼ 43, Qu × fR ∼ 15.752 GHz and coefficient τf ∼ 278 ppm.K-1.

Materiais dielétricos para operação em microondas constituem um ponto importante para usos em sistemas de comunicação móvel/via satélite, incluindo sistemas de monitoramento terrestres, internet/telefonia para celulares, internet das coisas, além do interesse militar para elaboração de radares. Avanços importantes nesse setor tecnológico só foram outorgados, graças ao emprego ostensivo de ressoadores dielétricos (RDs). Esses dispositivos constituem cerâmicas óxidas com baixa perda dielétrica em microondas, com demanda para sua miniaturização. O sistema deverá possuir alta constante dielétrica nesse intervalo e o dispositivo deve ser termicamente estável, ou seja, suas propriedades dielétricas não se alterarão com a temperatura. A busca por materiais de alto desempenho resultou na descoberta das perovskitas ordenadas 1:1 e 1:2, com estequiometria A2BBO6 e A3BB2O9, respectivamente. Tais sistemas ordenam o sítio B, da perovskita ABO3, gerando o empilhamento dos planos cristalinos com B e B, intercalados e na direção [1 1 1]c. Os resultados da literatura mostram que o ordenamento possui papel fundamental na obtenção de ressoadores de baixa perda dielétrica. Ademais, poucos estudos reportam as propriedades dos sistemas contendo os cátions Ca e Nb, no sítio B. Portanto, essa tese dedicou-se à investigação das propriedades dielétricas do sistema Ba3CaNb2O9 e, posteriormente, a modificação desse com a substituição dos cátions Ba2+ por Sr2+ e La3+. As amostras foram preparadas pelo método de reação do estado sólido e, posteriormente, caracterizadas pela difração de raios X, espalhamento Raman, espectroscopia de impedância e desempenho em microondas, além de técnicas complementares como análise térmica, densidade por imersão e microscopia eletrônica de varredura. Os resultados demonstraram a coexistência dos domínios 1:1 e 1:2 no sistema Ba3CaNb2O9, sendo possível manipulá-los mediante condições da sinterização. Microestruturalmente, esses domínios são regiões no cristalito com diferentes ordens catiônicas e, assim, com propriedades cristalográficas e vibracionais diferentes. Pela impedância, notou-se que o ressoador Ba3CaNb2O9 tende a conduzir mais quando possui uma tendência para o domínio 1:1. Tal resultado foi confirmado em microondas, onde a redução da perda dielétrica foi correlacionada à diminuição do domínio 1:1 na estrutura cristalina dos ressoadores. Na solução sólida com Sr2+, uma transição da fase trigonal D3d3 para monoclínica C2h3 foi detectada nos pós-calcinados, sendo oriunda das inclinações octaédricas do sistema de Glazer a0b-b-. As cerâmicas desse sistema foram sinterizadas a 1500 °C por 26 h, cujo resultado ilustrou uma tendência à ordem 1:1 para x ≥ 0,30. No sistema com La3+, observou-se, além da coexistência, os monodomínios 1:1 e 1:2. O sistema com monodomínios 1:1, BaLaCaNbO6 (y = 0,50), evidenciou uma distorção monoclínica intrínseca. Esta distorção foi associada às inclinações octaédricas do sistema de Glazer a0b-b-, reduzindo a simetria da fase cúbica Oh5 para monoclínica C2h3. Por fim, o desempenho como ressoador dielétrico dos sistemas BaLaCaNbO6 e Ba3CaNb2O9 foi avaliado. O primeiro sistema mostrou os seguintes valores: permissividade relativa εg ∼ 26, Qu × fR ∼ 10.506 GHz e coeficiente τf ∼ -55 ppm.K-1. O segundo sistema revelou os dados: permissividade εg ∼ 43, Qu × fR ∼ 15.752 GHz e o coeficiente τf ∼ 278 ppm.K-1. / Dielectric materials for microwave applications play an important role in mobile and satellite communication systems, including terrestrial monitoring, internet/mobile devices, internet of things, as well as the military uses as the radar developments. Advances in this technological field were only possible due to the ostensive use of dielectric resonators (DRs). These devices constitute oxide ceramics with a low dielectric loss in microwave frequency. The system must have high dielectric constant and such a device must be thermally stable. The search for highperformance materials granted the discovery of 1:1 and 1:2 ordered perovskites, with general formula A2BBO6 and A3BB2O9, respectively. These systems depict the B-site ordering of ABO3 perovskite, inducing the crystalline planes stacking in the [1 1 1]c direction. The literature results showed that the ordering plays an essential role in the low loss ceramics. Moreover, few studies reported the features of the systems containing the Ca and Nb cations at the B-site. Therefore, our work drives the dielectric properties of the Ba3CaNb2O9 system and, then, the modification induced by Ba2+ substitution by Sr2+ and La3+. The samples were prepared by the conventional solid-state reaction method and probed by X-ray diffraction, Raman scattering, impedance spectroscopy and microwave performance, as well as other techniques such as thermal analysis, density measurement, and electron microscopy. Our findings elucidated the coexistence of 1:1 and 1:2 domains in Ba3CaNb2O9 ceramics, being possible to manipulate them by sintering conditions. Such an ordered domain denotes regions in the crystallites with different cationic order and with different crystallographic and vibrational behavior. By the impedance spectroscopy, it was observed that Ba3CaNb2O9 ceramics tend to conduct more when they present a tendency towards the 1:1 domains. The earlier result was also confirmed in microwave frequency, in which the dielectric loss decreasing was correlated to the decrease of the 1:1 domain in the crystal structure. In the strontium solid solution, a transition from the D3d3 trigonal phase to the C2h3 monoclinic one was noted in powder samples, being derived from octahedral tilting (a0b-b- Glazer system). In the lanthanum system, besides the coexistence, the monodomains 1:1 and 1:2 were observed. Otherwise, the 1:1 monodomain system, BaLaCaNbO6 (y = 0.50), exhibited an intrinsic monoclinic distortion. This distortion was ascribed to the octahedral tilting (a0b-b- Glazer system), lowering the crystal symmetry from Oh5 cubic phase to the C2h3 monoclinic phase. The dielectric resonator performances of the BaLaCaNbO6 and Ba3CaNb2O9 systems were evaluated. The first system showed the following values: permittivity εg ∼ 26, Qu × fR ∼ 10.506 GHz and coefficient τf ∼ -55 ppm.K-1. The second system exhibited the data: permittivity εg ∼ 43, Qu × fR ∼ 15.752 GHz and coefficient τf ∼ 278 ppm.K-1.

O desenvolvimento de novos materiais cerâmicos condutores de prótons é tecnologicamente importante devido às suas aplicações como eletrólitos em células a combustível de óxido sólido (SOFCs), dispositivos eletroquímicos fontes de energia limpa e renovável. Entre os desafios encontrados na aplicação nessas células de novos óxidos cerâmicos prótoncondutores está a alta resistividade de seus contornos de grão, que bloqueiam eletricamente a corrente de defeitos protônicos. Esse fato torna relevantes as pesquisas sobre a natureza desse fenômeno de bloqueio e sua relação com as características próton-condutivas do material. Nesta dissertação, investigamos as propriedades do sistema não estequiométrico Ba3Ca1,18Nb1,82O9-δ, juntamente com os compostos Ba3Ca1,18Nb1,52R0,3O9-δ (R = Y, Gd, Sm, Nd). Pós cristalinos dessas composições foram sintetizados via reação em estado sólido e utilizados na fabricação de cerâmicas. Os materiais foram caracterizados do ponto de vista estrutural, microestrutural, vibracional e elétrico, utilizando diversas técnicas físicas e correlacionado as características de cada composição às suas propriedades condutivas. Experimentos de difração de raios X e cálculos de fator de estrutura revelaram o aparecimento de ordenamento estrutural na estrutura perovskita de todos os sistemas sintetizados, sendo a intensidade de reflexões características utilizada como parâmetro de ordenamento. A microestrutura das cerâmicas foi otimizada em função do tempo de sinterização e as amostras finais obtidas apresentaram baixa porosidade. A caracterização vibracional das cerâmicas via espectroscopia Raman corrobora o resultado do ordenamento obtido via difração, além de indicar a presença ou preenchimento de vacâncias de oxigênio na rede cristalina dos materiais. Análises vibracionais também permitiram o estudo da acumulação de defeitos na borda das amostras cerâmicas e de sua estabilidade química, sendo tais diretamente correlacionadas à dopagem feita no material. O estudo de propriedades elétricas por espectroscopia de impedância aliado a modelagens por circuitos equivalentes permitiu separar propriedades elétricas de grão e contorno de grão. O efeito de bloqueio elétrico dos contornos pôde ser observado nas cerâmicas estudadas e está correlacionado à condutividade do interior dos grãos, sendo tais resultados interpretados à luz do modelo de cargas espaciais. / The development of novel proton conducting ceramic materials is technologically important due to their application as electrolytes in solid oxide fuel cells (SOFC), electrochemical devices that constitute clean and renewable energy sources. Among the challenges faced when applying new oxide materials to fuel cells is the high resistivity of grain boundaries, which causes an electrical blocking effect of proton transport. This issue stimulates research on the nature of the blocking phenomenon and its relation to proton-conducting properties of the materials. In the present study, we investigate physical properties of the non-stoichiometric system Ba3Ca1,18Nb1,82O9-δ together with the compounds Ba3Ca1,18Nb1,52R0,3O9-δ (R = Y, Nd, Sm, Gd). Crystalline powders of all the chemical compositions were synthetized by a solidstate reaction and used to prepare ceramic samples. The materials were characterized in terms of their structural, microstructural, vibrational and electrical properties by the usage of various physical techniques, correlating characteristics of each composition to its proton-conduction properties. X-ray diffraction experiments combined with structure factor calculations revealed the presence of perovskite structural ordering in all the compounds, and the intensity of characteristic reflections was used as ordering parameter. Ceramic microstructure was optimized with respect to sintering time and the final samples achieved low porosity. Vibrational characterization by Raman spectroscopy supported the ordering result obtained by diffraction and indicated the presence or filling of oxygen vacancies in the materials crystal structures. Vibrational analysis also allowed the study of defect accumulation near the ceramic samples edges and their chemical stability, which are directly related to material doping. Electrical studies by impedance spectroscopy together with equivalent circuit modeling allowed the separation of grain and grain boundary electrical properties. Blocking effect by the boundaries was observed on the considered samples and is correlated to conductivity on grain bulk. Blocking results are interpreted in the framework of a space charge model.

O desenvolvimento de novos materiais cerâmicos condutores de prótons é tecnologicamente importante devido às suas aplicações como eletrólitos em células a combustível de óxido sólido (SOFCs), dispositivos eletroquímicos fontes de energia limpa e renovável. Entre os desafios encontrados na aplicação nessas células de novos óxidos cerâmicos prótoncondutores está a alta resistividade de seus contornos de grão, que bloqueiam eletricamente a corrente de defeitos protônicos. Esse fato torna relevantes as pesquisas sobre a natureza desse fenômeno de bloqueio e sua relação com as características próton-condutivas do material. Nesta dissertação, investigamos as propriedades do sistema não estequiométrico Ba3Ca1,18Nb1,82O9-δ, juntamente com os compostos Ba3Ca1,18Nb1,52R0,3O9-δ (R = Y, Gd, Sm, Nd). Pós cristalinos dessas composições foram sintetizados via reação em estado sólido e utilizados na fabricação de cerâmicas. Os materiais foram caracterizados do ponto de vista estrutural, microestrutural, vibracional e elétrico, utilizando diversas técnicas físicas e correlacionado as características de cada composição às suas propriedades condutivas. Experimentos de difração de raios X e cálculos de fator de estrutura revelaram o aparecimento de ordenamento estrutural na estrutura perovskita de todos os sistemas sintetizados, sendo a intensidade de reflexões características utilizada como parâmetro de ordenamento. A microestrutura das cerâmicas foi otimizada em função do tempo de sinterização e as amostras finais obtidas apresentaram baixa porosidade. A caracterização vibracional das cerâmicas via espectroscopia Raman corrobora o resultado do ordenamento obtido via difração, além de indicar a presença ou preenchimento de vacâncias de oxigênio na rede cristalina dos materiais. Análises vibracionais também permitiram o estudo da acumulação de defeitos na borda das amostras cerâmicas e de sua estabilidade química, sendo tais diretamente correlacionadas à dopagem feita no material. O estudo de propriedades elétricas por espectroscopia de impedância aliado a modelagens por circuitos equivalentes permitiu separar propriedades elétricas de grão e contorno de grão. O efeito de bloqueio elétrico dos contornos pôde ser observado nas cerâmicas estudadas e está correlacionado à condutividade do interior dos grãos, sendo tais resultados interpretados à luz do modelo de cargas espaciais. / The development of novel proton conducting ceramic materials is technologically important due to their application as electrolytes in solid oxide fuel cells (SOFC), electrochemical devices that constitute clean and renewable energy sources. Among the challenges faced when applying new oxide materials to fuel cells is the high resistivity of grain boundaries, which causes an electrical blocking effect of proton transport. This issue stimulates research on the nature of the blocking phenomenon and its relation to proton-conducting properties of the materials. In the present study, we investigate physical properties of the non-stoichiometric system Ba3Ca1,18Nb1,82O9-δ together with the compounds Ba3Ca1,18Nb1,52R0,3O9-δ (R = Y, Nd, Sm, Gd). Crystalline powders of all the chemical compositions were synthetized by a solidstate reaction and used to prepare ceramic samples. The materials were characterized in terms of their structural, microstructural, vibrational and electrical properties by the usage of various physical techniques, correlating characteristics of each composition to its proton-conduction properties. X-ray diffraction experiments combined with structure factor calculations revealed the presence of perovskite structural ordering in all the compounds, and the intensity of characteristic reflections was used as ordering parameter. Ceramic microstructure was optimized with respect to sintering time and the final samples achieved low porosity. Vibrational characterization by Raman spectroscopy supported the ordering result obtained by diffraction and indicated the presence or filling of oxygen vacancies in the materials crystal structures. Vibrational analysis also allowed the study of defect accumulation near the ceramic samples edges and their chemical stability, which are directly related to material doping. Electrical studies by impedance spectroscopy together with equivalent circuit modeling allowed the separation of grain and grain boundary electrical properties. Blocking effect by the boundaries was observed on the considered samples and is correlated to conductivity on grain bulk. Blocking results are interpreted in the framework of a space charge model.

Made available in DSpace on 2016-08-18T18:19:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Diego.pdf: 4581886 bytes, checksum: 4082b1cf90850475e3fce6b584ae1578 (MD5) Previous issue date: 2011-09-20 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work, we performed the synthesis of complex perovskites with stoichiometry A(Ni⅓B"⅔)O₃ with A= Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ and and B"= Nb⁵⁺, Ta⁵⁺ ceramic method with grinding steps at low energies. Then, X-ray diffraction is performed to identify the phases obtained via characteristic diffraction profile, as well as possible extra phases and contaminations. The refinement of the diffraction pattern obtained is carried out through the Rietveld Method to obtaining crystallographic parameters of the desired phases and also estimate the masses of the same in relation to possibles extra phases, thus allowing a qualitative evaluation to the synthesis process. Subsequently, we performed Group Theory for the samples followed by the vibrational characterization of these perovskites via Confocal Raman microscopy which led, through literature review, to the observed modes identification and classification including modes activated by 1:2 ordering. / Neste trabalho, realizamos a síntese das perovskitas complexas de estequiometria A(Ni⅓B"⅔)O₃ com A= Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺; e B"= Nb⁵⁺, Ta⁵⁺ mediante método cerâmico com etapas de moagem a baixas energias. Em seguida foi realizada a identificação das fases obtidas via difração de raios X para verificação do perfil difratométrico característico, bem como de possíveis fases extras e contaminações. O refinamento do difratograma obtido foi realizado através do Método de Rietveld a fim de obter parâmetros cristalográficos das fases desejadas e também estimar as massas das mesmas em relação às possíveis fases extras permitindo assim uma avaliação qualitativa para o processo de síntese. Posteriormente, foi realizada a Teoria de Grupos para as amostras seguida da caracterização vibracional das referidas perovskitas via Espectroscopia Raman Confocal o que levou, mediante revisão bibliográfica, à classificação dos modos observados bem como a identificação dos modos ativados pelo ordenamento 1:2.