PROPRIEDADES MAGNÉTICAS E DIELÉTRICAS DE COMPÓSITOS DE Y 3 Fe 5 O 12 CaCu 3 Ti 4 O 12. SABÓIA, K.D.A. 1,2,3* ; SANTOS, L.P.M. 2 ; AGUIAR, F.A.A. 1 ; SOARES, H.J.M. 1 ; GIRÃO, H.T. 3 ; GRAÇA, M.P.F 4 ; AMARAL,M.A. 4 ; SOMBRA, A.S.B 3 ; VALENTE, M.A. 4. 1. Universidade Estadual do Ceará UECE Faculdade de Educação de Crateús FAEC. Fortaleza CE, Brasil. 2. Universidade Federal do Ceará UFC. Fortaleza CE, Brasil 3. Laboratório Laboratório de Telecomunicações e Ciência e Engenharia de Materiais LOCEM, Departamento de Física, Universidade Federal do Ceará, Brasil. 4. Departamento de Física e I3N, Universidade de Aveiro, Aveiro, Portugal. * e-mail para contato: david.saboia@uece.br RESUMO: Realizamos um estudo das propriedades magnéticas e dielétricas de compósitos formatos pelas cerâmicas Y 3 Fe 5 O 12 /CaCu 3 Ti 4 O 12. As propriedades estruturais das amostras foram estudadas através de difração de raios-x e microscopia eletrônica de varredura. Microscopia de impedância foi usada para estudar as propriedades dielétricas em diferentes freqüências e temperaturas. O comportamento elétrico foi diretamente relacionado com a microestrutura do material. As medidas magnéticas mostraram a relação das curvas de histereses baseadas na concentração de Y 3 Fe 5 O 12 contida no compósito.. Palavras Chaves: Compósitos, Y 3 Fe 5 O 12 /CaCu 3 Ti 4 O 12, Propriedades Magnéticas, Propriedades Dielétricas. 1. INTRODUÇÃO Compósitos são misturas de dois ou mais materiais com o intuito de se obter uma combinação de características desejáveis de cada componente constituinte. Atualmente há um grande interesse em misturas de materiais que possuam propriedades elétricas e magnéticas ao mesmo tempo [1,2]. No presente trabalho, criou-se uma combinação entre duas cerâmicas bastantes conhecidas na literatura e analisamos suas propriedades dielétricas e magnéticas. A primeira delas, o CCTO (CaCu 3 Ti 4 O 12 ) é conhecido por sua alta constante dielétrica praticamente independente da freqüência [3]. É um material para aplicações capacitiva bastante desejável em microeletrônica, assim como para equipamentos de microondas [4]. A ferrita de ítrio YIG (Y 3 Fe 5 O 12 ) é utilizada em diversos equipamentos de alta tecnologia em telecomunicação, dispositivos óptico-magnéticos, dispositivos de microondas, etc. [5,6]. Desde sua descoberta, em 1956, o YIG é o melhor material para aplicações na região de microondas num range de freqüências de 1GHz a 10GHz. 1
2. METODOLOGIA Os pós de YIG e CCTO foram obtidos por moagem mecânica seguida de processo de queima em fornos de alta temperatura. Quantidades estequiométricas de carbonato de cálcio (CaCO 3 - Aldrich, 99%), óxido de titânio (TiO 2 - Aldrich, 99%) e óxido de cobre (II) (CuO - Merck, 97%) foram processadas num moinho planetário Fritsh 7.0 e seguido de um processo de queima e sinterização [7]. Similarmente, quantidades estequiométricas de óxido de ítrio (Y 2 O 3 - Merck, 97%) e óxido de ferro (II) (Fe 2 O 3 - Aldrich, 99%) foram processados num moinho planetário Fritsh 7.0 e também seguido de um processo de queima e sinterização. Os pós obtidos foram misturados em diferentes proporções para criar partilhas com as seguintes dimensões 15 mm de altura por 2 mm de diâmetro que sofreram novo processo de queima, 800 ºC por 12 h. Para as medidas de impedâncias ambos os lados de cada amostra foram pintadas com tintas de prata e foi usado um analisador de impedância AGILENT 4294A num range de frequência de 40Hz a 30MHz com uma variação de temperatura entre 300K-380K. As medidas de susceptibilidade magnética foram realizadas de 5 a 300K em um campo de 0.5 Tesla, usando um em um VSM (Vibrating Sample Magnetometer) na Universidade de Aveiro. 3. RESULTADO A impedância do material foi usada para descrever as propriedades elétricas do material, Z*=Z jz, onde j=. Quantidades derivadas relacionadas à impedância também foram usadas. A constante dielétrica complexa ɛ*= ɛ jɛ onde ɛ é dada pela relação C/C 0, com C representando à capacitância medida do material e C0 a capacitância geométrica. Mais precisamente usamos o formalismo do modulo complexo para analisar o comportamento do material em diferentes frequências e temperaturas. A parte real e imaginária do modulo complexo podem ser compreendidas pelas equações (1) e (2): M ' A Z " 0 (1) t M " A Z ' 0 (2) t 2
M" 5º Congresso Norte-Nordeste de Química 08 a 12 de Abril de 2013 onde ω=2πf, ɛ 0 é a permissividade no espaço livre, A é a área da seção transversal do material e t a espessura da amostra. A variação da parte imaginária de M versus logf encontram-se nas figuras 1 e 2 para as amostras contendo 10% e 50% de YIG, respectivamente. Inserida em cada figura encontramos a curva para a energia de ativação obtida do gráfico do logaritmo da frequência de pico do módulo imaginário versus a temperatura obtida a partir da equação de Arrhenius: E e x p a 0 k T B (3) onde τ 0 é um fator pré-exponencial, E a é a energia de ativação, k B é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta. Figure 1 Modulo imaginário em função da frequência para a amostra contendo 10% de YIG. Inserido, o gráfico de Arrhenius para o tempo de relaxação versus a temperatura. 0.0012 0.0010 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000 ln -8-9 300K -10 320K -11 340K -12 360K 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 380K 1000/T(K-1) 10 4 10 5 10 6 Frequency(Hz) Fonte [Própria] A Figura 3 mostra a curva de histerese magnética para a amostra contendo apenas YIG e para duas outras amostras (uma contendo 50% de YIG e outra contendo 70%). As medidas foram realizadas a temperatura ambiente. A capacidade de magnetização do compósito claramente depende da quantidade de YIG contido nele. A saturação de magnetização para a amostra de YIG puro é em torno de 30.8 emu/g e chega a ir para 6.9 emu/g numa amostra contendo 50% de YIG. 3
Magnetic moment (emu/g) M" 5º Congresso Norte-Nordeste de Química 08 a 12 de Abril de 2013 Figure 2 Modulo imaginário em função da frequência para a amostra contendo 50% de YIG. Inserido, o gráfico de Arrhenius para o tempo de relaxação versus a temperatura. 0.008 0.006 300K 320K 340K 360K 380K 0.004 0.002-9 -10-11 -12 2.7 3.0 3.3 1000/T(K-1) 0.000 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 ln Frequency(Hz) Fonte [Própria] Figure 3 Curva de histerese magnética para as amostras de YIG puro e amostras contendo 50% e 70% de YIG. 30 20 YIG100 10 YIG70 0 YIG50-10 -20-30 -1 0 1 Magnetic field (T) Fonte [Própria] 4
4. CONCLUSÃO Os pós cerâmicos YIG e CCTO foram obtidos por processo de moagem mecânica e sinterização com sucesso. Os mesmos foram usados para produzir um compósito com boas propriedades magnéticas e dielétricas. O presente material apresenta-se como propício para equipamentos usados em regiões de microondas e para equipamentos onde propriedades magnéticas são desejáveis, uma vez que, na formação do compósito as propriedades magnéticas originárias do YIG não desapareceram. 5. AGRADECIMENTO Agradecemos a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo suporte financeiro. 6. REFERÊNCIAS [1] BRACKE, P.M e VLIET, R.G. A Broadband Magneto-Electric Transducer Using A Composite Material. International Journal of Electronics. vol. 51, Issue: 3, pp.255-262. 1981. [2] HUANG, J. H.The Analysis of Piezoelectric/Piezomagnetic Composite Materials Containing Ellipsoidal Inclusions. Journal of Applied Physics. vol. 81, Issue: 3. pp.1378 1386. 1997 [3] KROHNS, S.,LUNKENHEIMER, S.P., EBBINGHAUS, S.G., LOIDL, Colossal Dielectric Constants In Single-Crystalline And Ceramic CaCu 3 Ti 4 O 12 Investigated By Broadband Dielectric Spectroscopy, Journal of Applied Physics, vol.103, no.8, pp.084107-084109. 2008. [4] RUMEAU, A., BIDAN, P., LEBEY, T., MARCHIN, L., BARBIER, B., GUILLEMET, S. Behavior Modeling of a CaCu3Ti4O12 Ceramic for Capacitor Applications. Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2006 IEEE Conference on. pp.23-26. 2006. 5
[5] COLLIN, R.E. Foundations for Microwave Engineering, 2ªed., McGraw-Hill, New York, 1994. [6] YANG, Q., ZHANG, H., LIU, Y., WEN, Q., JIA, L. The Magnetic and Dielectric Properties of Microwave Sintered Yttrium Iron Garnet (YIG). Materials Letters. vol. 62. pp. 2647 2650. 2008. [7] ALMEIRDA, A.F.L., FECHINE, P.B.A., GRAÇA, M.P.F., VALENTE, M.A., SOMBRA, A.S.B. Structural and Electrical Study of CaCu3Ti4O12 (CCTO) Obtained in a New Ceramic Procedure. Journal of Materials Science. Materials in Electronic, v. 20, pp. 163-170, 2009. 6