Cercetări fundamentale a fenomenelor dependente de scală în feroelectrici pe baza de titanat de bariu: granulația critică și efectul nanostructurării (FerroScale)

Cod proiect: PN-III-P4-ID-PCE-2016-0817
Contract nr. 192 ⁄ 2017
Denumirea Programului din PN III: Programul 4 - Cercetare fundamentală și de frontieră
Tip proiect: Proiecte de Cercetare Exploratorie

Obiectivul major este de a clarifica, printr-o abordare inovativă experimentală și de modelare la scale multiple, câteva aspecte actuale legate de natura granulației critice și a proprietăților dependente de scală în ceramici bazate pe BaTiO₃ (BT) cu granulații de la ~1μm la câțiva zeci de nanometri. În comparație cu studiile anterioare, bazate cu precădere pe o abordare tradițională de tip corelație preparare-caracterizare-proprietăți dedicate investigării proprietăților ceramicelor de BT pentru aplicații ca elemente pasive în microelectronică, noutatea acestui proiect constă în studiul fundamental experimental-teoretic al fenomenelor de scală în ceramici de BT pure și ușor substituite la două nivele: (a) la nanoscală, (b) în jurul granulație critice de 1μm. Studiul își propune să integreze rezultatele proprii cu numeroasele date experimentale raportate in literatură în acest domeniu, în cadrul unor modele de multiscală adecvate.

{slider title="Rezumat" class="blue"}

BaTiO₃ este prototipul feroelectricilor oxidici, utilizat pe scară largă în domeniul microelectronicii datorită proprietăților sale dielectrice, feroelectrice, piezo, pyro, și electro-optice, care pot fi adaptate prin substituții și factori microstructurali (densitate, tensiuni interne, morfologie). Tendința de miniaturizare a elementelor din microelectronică a impus necesitatea dezvoltării de noi produse ceramice pe bază de BaTiO₃ cu grăunți de dimensiuni reduse de câţiva zeci de nanometri, deschizându-se astfel un nou subiect de cercetare fundamentală: rolul mărimii grăunților asupra proprietăților funcționale. Dimensiunea grăunților este un parametru important pentru adaptarea proprietăților funcționale ale BaTiO₃, deoarece în jurul valorii de 1 micrometru unele proprietăți sunt maximizate. Cu toate acestea, pentru aplicații este esențială păstrarea valorilor ridicate ale constantelor de material odată cu reducerea dimensiunii grăunților la scară nanometrică. Înțelegerea de ce proprietățile îmbunătățite se obțin la dimensiunea critică de 1 micrometru și extinderea în alte sisteme a posibilităţilor de reproduce a condițiilor specifice optimizării proprietăților acestora constituie o temă dificilă. Prin urmare, obiectivul major al acestui proiect este de a clarifica aspectele legate de fenomenele dependente de dimensiune în cazul feroelectricilor pe bază de BaTiO₃ printr-o abordare experimental-teoretică la multiscală, precum și printr-un studiu multidisciplinar care implică metode chimice de preparare inovative, caracterizare complexă la nano/microscală, investigare detaliată a proprietăților funcționale și instrumente complexe de modelare la multiscală.

VALOAREA CONTRACTULUI este de 775.700,00 lei pe o durată de 29 de luni

{supertable table}

{/supertable}

{slider title="Echipa" class="blue"}

Echipa proiectului:
1. Prof. Liliana Mitoseriu
2. Dr. Cristina Elena Ciomaga
3. Dr. Curecheriu Lavinia Petronela
4. Dr. Mirela Airimioaei
5. Dr. Horchidan Nadejda
6. Dr. Padurariu Leontin
7. Drd. Ina Turcan
8. Drd. Vlad Alexandru Lukacs

{slider title="Achizitii" class="blue"}

2017
1. Generator arbitrar de functii Tektronik cu interfata Keithley
2. Laptop Asus ZenBook
3. Laptop Lenovo Ideapad
4. Videoproiector EPSON EB-U42
5. Modul compact de citire temperature National Instruments

{slider title="Rezultate" class="blue"}

Rezultate la zi

2017

2018

2019

Sumarul realizarilor cele mai importante ale grantului

1. A fost realizat un studiu experimental-teoretic al BaTiO₃ ceramic cu incluziuni de Ag in care: (a) s-a obtinut o crestere superioara a permitivitatii folosing in mod sinergic efectul incluziunilor de Ag si al granulatiei critice a BaTiO₃ de la 1mm; (b) a fost elucidat prin modelare cu FEM rolul tipului de incluziuni de Ag asupra permitivitatii si tunabilitatii in vecinatatea percolatiei. Rezultate: 2 lucrari ISI (una publicata, una in evaluare); comunicari la conferinte internationale. Noutate la nivel international; metoda noua de evaluare a percolatiei partiale prin FEM.
2. Studiu al corelatiei structura-proprietati si elucidarea originea starii relaxoare in BaCe_xTi_1-xO₃ prin experimente macroscopice (spectroscopie dielectrica, histerezis feroelectric, calorimetrie) combinate cu tehnici experimentale sensibile la ordinea locala (PDF-pair function distribution si spectroscopie Raman). Rezultate: o lucrare ISI publicata in colaborare; comunicari la conferinte internationale. Noutatea abordarii complexe la nivel international; contributii la diagrama de faza a sistemului.
3. A fost investigat un sistem ceramic magnetoelectric cu compozitia BaTi_1-xFe_xO_3-x/2(0 ≤ x ≤ 0.02) care a fost analizat din punct de vedere structural si functional (electric, magnetic). Compozitiile optime au fost testate pentru aplicatii ca antena miniaturizata rezonator. Rezultate: o lucrare ISI publicata; comunicari la conferinte internationale. Inovativitate aplicativa la nivel national: folosirea ceramicelelor pentru antene miniaturizate tip rezonator.
4. A fost analizat efectul porozitatii asupra proprietatilor electrice ale BaTiO₃ ceramic cu porozitati variabile induse prin folosirea polenului (sacrificial template). Au fost dezvoltate modele de element finit pentru a explica efectul porozitatii. Rezultate: o lucrare ISI publicata; comunicari la conferinte internationale. Noutate la nivel international privind originalitatea obtinerii porozitatii folosind polen.
5. S-a demonstrat ca ordinea feroelectrica si cea polara au un rol direct asupra fotoluminiscentei in ceramici de Eu³⁺- BaZr_xTi_1−xO₃. Rezultate: o lucrare ISI publicata (raportare 50%); comunicari la conferinte internationale. Studiu complex de mare interes si noutate la nivel international.
6. S-a efectuat un studiu experimental-teoretic in care s-a demonstrat rolul superpozitiei de faza asupra proprietatilor BaSn_xTi_1−xO₃. Rezultate: o lucrare ISI acceptata (publicata on-line; raportare 50%). Studiu de mare impact la nivel international.
   

Publicatii in reviste ISI cu acknowledgement: 5 publicate, 2 in evaluare

(membrii echipei grantului sunt subliniati)

1. Ina Turcan, Vlad Alexandru Lukacs, Lavinia Curecheriu, Leontin Padurariu, Cristina Elena Ciomaga, Mirela Airimioaei, George Stoian, Nicoleta Lupu, Liliana Mitoseriu, Microstructure and dielectric properties of Ag-BaTiO₃ composite ceramics, J. Eur. Ceram. Soc. 38, 5420-5429 (2018) (2018)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221918304874

2. Giovanna Canu, Giorgia Confalonieri, Marco Deluca, Lavinia Curecheriu, Maria Teresa Buscaglia, Mihai Asandulesa, Nadejda Horchidan, Monica Dapiaggi, Liliana Mitoseriu, Vincenzo Buscaglia, Structure-property correlations and origin of relaxor behaviour in BaCe_xTi_1-xO₃, Acta Materialia 152 258-268 (2018)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964541830315X

3. Felicia Gheorghiu, Cristina Elena Ciomaga, Mantas Simenas, Mirela Airimioaei, Shan Qiao, Sorin Tascu, Vidmantas Kalendra, Juras Banys, Ovidiu G. Avadanei, Liliana Mitoseriu, Preparation and functional characterization of magnetoelectric Ba(Ti_1-xFe_x)O_3-x/2 ceramics. Application for a miniaturized resonator antenna, Ceram. Intern. 44, 20862-20870 (2018)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218321497

4. Vlad Alexandru Lukacs, Roxana Stanculescu, Lavinia Curecheriu, Cristina Elena Ciomaga, Nadejda Horchidan, Cipriana Cioclea, Liliana Mitoseriu, Structural and functional properties of BaTiO₃ porous ceramics produced by using pollen as sacrificial template, Ceramics International 46, 523-530 (2020) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.292

5. G. Canu, G. Bottaro, M.T. Buscaglia, C. Costa, O. Condurache, L. Curecheriu, L. Mitoseriu, V. Buscaglia, L. Armelao, Ferroelectric order driven Eu³⁺ photoluminescence in BaZr_xTi_1−xO₃ Perovskite, Sci. Reports 9, 6441 (2019) (raportare 50%)

https://doi.org/10.1038/s41598-019-42897-1

6. N. Horchidan, L. Padurariu, C.E. Ciomaga, L. Curecheriu, M. Airimioaei, F. Doroftei, F. Tufescu, L. Mitoseriu, Room temperature phase superposition as origin of enhanced functional properties in BaTiO₃ - based ceramics, J. Eur. Ceram. Soc. 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.11.088 (50% raportare)

7. V.A. Lukacs, I. Turcan, L. Padurariu, L. Curecheriu, A. Cernescu, G. Stoian, C.E. Ciomaga, F. Tufescu, N. Lupu, L. Mitoseriu, Nonlinear dielectric properties of BaTiO₃ - silver composites: the role of microstructure, J. Alloys and Compounds (in evaluare, revizii minore).

 Prezentari la conferinte internationale: 1 invitată, 5 orale, 10 poster:

1. Lavinia Curecheriu, Ina Turcan, Vlad Alexandru Lukacs, Leontin Padurariu, Cristina Elena Ciomaga, George Stoian, Nicoleta Lupu, Liliana Mitoseriu, Preparation and dielectric properties of Ag-BaTiO₃ composite ceramics, ICC7, Congresso Brasileiro de Ceramica, June 17-21, 2018, Foz do Iguacu, Brazil (poster).
2. Liliana Mitoseriu, Leontin Padurariu, Lavinia Curecheriu, Cristina Ciomaga, Ina Turcan, Local field engineering for tailoring electrical properties in ferroelectric-metallic particles composites, Electroceramics XVI - Hasselt, Belgium, 9-12th July 2018 (Invited talk).
3. Mirela Airimioaei, Alexandru Lukacs, Liliana Mitoseriu, Biotemplate-mediated synthesis of one-dimensional oxides, Electroceramics XVI - Hasselt, Belgium, 9-12th July 2018 (poster).
4. Alexandru Lukacs, Mirela Airimioaei, Lavinia Curecheriu, Cristina Ciomaga, Liliana Mitoseriu, Grain size effect on dielectric properties of submicron ranged BaTiO₃ ceramics, Electroceramics XVI - Hasselt, Belgium - 9th-12th July 2018 (poster).
5. Ina Turcan, Vlad Alexandru Lukacs, Lavinia Curecheriu and Liliana Mitoseriu, Enhanced permittivity in BaTiO₃ composites as result of silver addition and critical grain size ~1µm, European Conference on Applications of Polar Dielectrics ECAPD Moscow, Russia June 25-28, 2018 (oral).
6. Vlad Alexandru Lukacs, Ina Turcan, Mirela Airimioaei, Lavinia Curecheriu, Liliana Mitoseriu, Grain size effect on dielectric properties of submicron ranged BaTiO₃ ceramics, European Conference on Applications of Polar Dielectrics ECAPD Moscow, Russia June 25-28, 2018 (poster).
7. Cristina E. Ciomaga, Cipriana Padurariu, Lavinia P. Curecheriu, Nadejda Horchidan, Leontin Padurariu and Liliana Mitoseriu, Structural investigation and functional properties on porous BaTiO₃ ceramics, CIEC 16 – Torino, Italy 9-11 Septembre 2018 (poster).
8. Ina Turcan, Vlad Alexandru Lukacs, Lavinia Curecheriu, Leontin Padurariu, Cristina Elena Ciomaga, Liliana Mitoseriu, Exploiting the critical grain size and silver inclusions for enhancing permittivity in BaTiO₃ ceramics, CIEC 16 – Torino, Italy 9-11 Septembre 2018 (oral).
9. Nadejda Horchidan, Cristina Ciomaga, Liliana Mitoseriu, Study of dielectric & ferroelectric properties of BaGe_xTi_1-xO₃ (x³1)ceramics, CIEC 16 – Torino, Italy 9-11 Sept. 2018 (poster).
10. Cristina Elena Ciomaga, Cipriana Padurariu, Lavinia Petronela Curecheriu, Nadejda Horchidan, Leontin Padurariu, Liliana Mitoseriu, Structural investigation and functional properties on porous BaTiO₃ ceramics, CIEC 16 – Torino, Italy 9-11 Septembre 2018 (poster).
11. Leontin Padurariu, Liliana Mitoseriu, Exploiting local field inhomogeneity in ferroelectric based composites: towards improved functional properties, CIEC 16 – Torino, Italy 9-11 Septembre 2018 (poster).
12. A. Lukacs, M. Airimioaei, L.P. Curecheriu, C.E. Ciomaga, A. Bencan, M. Avakian, J. Jones, G. Stoian, N. Lupu and L. Mitoseriu, Grain size effects on the structural instability and functional properties of BaTiO₃ ceramics, F²Cp² Conference Lausanne, Switzerland, 14-19 July 2019 (oral)
13. Turcan, V.A. Lukacs, A. Cernescu, L. Curecheriu, L. Padurariu, C.E. Ciomaga, G. Stoian, N. Lupu, L. Mitoseriu, The role of composition on the dielectric and ferroelectric properties of Ag-BaTiO₃ composites F²Cp² Conference Lausanne, Switzerland, 14-19 July 2019 (1/2 raportare poster)
14. Ina Turcan, Lavinia Curecheriu, Leontin Padurariu, Liliana Mitoseriu, Ag-BaTiO₃ composite ceramics with multiple percolative behavior, 13^th Conference for Young Scientists in Ceramics, Dept. of Materials Eng., Faculty of Technology, Univ. Novi Sad, Serbia (October 16-19, 2019) (oral)
15. V. Lukacs, Lavinia P. Curecheriu, Jacob L. Jones, Liliana Mitoseriu, Scale dependent phenomena in BaTiO₃-based ceramics, 13^th Conference for Young Scientists in Ceramics, Dept. of Materials Eng., Faculty of Technology, Univ. Novi Sad, Serbia (October 16-19, 2019) (oral)
16. Horchidan, L. Padurariu, C.E. Ciomaga, L. Curecheriu, M. Airimioaei, F. Tufescu, L. Mitoseriu, Room temperature phase superp. as origin of enhanced funct. prop. in BaTiO₃ - based ceramics, 30^th Asian Advanced Materials Congress, 31 october-4 november 2019, Singapore (poster)

Prezentari la conferinte nationale: 1 oral, 1 poster

1. Vlad-Alexandru Lukacs, Mirela Airimioaei, Lavinia Curecheriu, Ina Turcan, Liliana Mitoseriu, Grain size influence on dielectric properties of dense BaTiO₃ ceramics, Conferinţa Naţională Fizica şi Tehnologiile Educaţionale Moderne, Facultatea de Fizică, Universitatea “Al. I. Cuza“ din Iaşi, România, 19 mai 2018 (oral) - Premiul I
2. Ina Turcan, Vlad-Alexandru Lukacs, Lavinia Curecheriu, Leontin Padurariu, Cristina Elena Ciomaga and Liliana Mitoseriu, Effect of Silver filler on the sintering behavior and dielectric properties of BaTiO₃, Conferinţa Naţională Fizica şi Tehnologiile Educaţionale Moderne, Facultatea de Fizică, Universitatea “Al. I. Cuza“ din Iaşi, România, 19 mai 2018 (poster).

{/sliders}