Il titanato di bario appartiene al gruppo di materiali della perovskite, dove uno ione titanio risiede all'interno di una gabbia ottaedrica di ossigeno. Il materiale mostra un comportamento ferroelettrico di tipo dislocante, in cui lo spostamento degli ioni durante la transizione di fase porta alla creazione di un momento dipolare permanente all'interno del materiale.

In uno studio pubblicato sulla rivista Dalton Transactions , i ricercatori guidati dal professor Ayako Yamamoto dello Shibaura Institute of Technology, tra cui lo studente master Kimitoshi Murase, hanno sviluppato un materiale ferroelettrico di tipo spostamento con un'elevata costante dielettrica. La parte teorica è stata studiata dal Dr. Hiroki Moriwake e dal suo gruppo del Japan Fine Ceramics Center.

Utilizzando un metodo ad alta pressione, i ricercatori hanno incorporato con successo considerevoli ioni di rubidio in composti di tipo perovskite, ottenendo la sintesi del niobato di rubidio (RbNbO₃ ). Questo composto, precedentemente noto per il suo impegnativo processo di sintesi, è stato effettivamente creato attraverso un approccio innovativo.

RbNbO₃ mostra ferroelettricità di spostamento come BaTiO₃ , rendendolo un candidato promettente per i condensatori e l'interesse nella sintesi di RbNbO₃ risale agli anni '70. Tuttavia, gli studi sulle sue proprietà dielettriche sono stati condotti solo a basse temperature (sotto i 27°C).

Questo studio fa luce sulla struttura cristallina e sulle transizioni di fase in un ampio intervallo di temperature (da –268 a +800°C), aprendo la strada a ulteriori ricerche e sviluppi.

"Il metodo di sintesi ad alta pressione ha prodotto una varietà di materiali con strutture di tipo perovskite, inclusi superconduttori e magneti. In questo studio, il nostro focus era sulla combinazione di niobati e metalli alcalini noti per le loro elevate proprietà dielettriche", afferma il prof. Yamamoto.

I ricercatori hanno sintetizzato RbNbO₃ non di tipo perovskite sinterizzando una miscela di carbonato di rubidio e ossido di niobio a 1.073 K (800°C), quindi sottoponendola ad alte pressioni di 40.000 atmosfere a 1.173 K (900°C) per 30 minuti. In queste condizioni di alta pressione e alta temperatura, il niobato di rubidio ha subito una trasformazione strutturale da una complessa fase triclina a pressione ambiente in una struttura di tipo perovskite ortorombica più densa del 26%.

Utilizzando la diffrazione dei raggi X, i ricercatori hanno studiato la struttura cristallina. La loro analisi utilizzando un singolo cristallo ha rivelato che la struttura cristallina somigliava molto a quella del niobato di potassio (KNbO₃ ) e hanno mostrato distorsioni simili osservate in BaTiO₃ , entrambi noti materiali ferroelettrici.

Tuttavia, hanno scoperto che l'ortorombicità e lo spostamento degli atomi di niobio in RbNbO₃ hanno superato quelli di KNbO₃ , indicando un grado più elevato di polarizzazione dielettrica dovuta alle transizioni di fase.

Inoltre, attraverso la diffrazione dei raggi X delle polveri, i ricercatori hanno identificato quattro distinte transizioni di fase che si verificano a temperature che vanno da –268°C a +800°C. Al di sotto della temperatura ambiente, RbNbO₃ esiste in una fase ortorombica, che è la configurazione più stabile.

All'aumentare della temperatura, subisce transizioni:prima verso una fase di perovskite tetragonale superiore a 220°C, poi in una fase di perovskite tetragonale più allungata oltre 300°C. Infine, sopra i 420°C, ritorna ad una fase non perovskite che si trova in condizioni atmosferiche.

Queste transizioni di fase osservate corrispondono strettamente alle previsioni effettuate attraverso i calcoli dei principi primi. I ricercatori hanno anche calcolato la polarizzazione dielettrica delle diverse fasi di RbNbO₃ . Hanno scoperto che la fase ortorombica aveva una polarizzazione di 0,33 C m ⁻² , mentre le due fasi tetragonali mostravano polarizzazioni di 0,4 e 0,6 C m ⁻² , rispettivamente. Questi valori sono paragonabili a quelli dei niobati di metalli alcalini ferroelettrici come KNbO₃ (0,32 C·m ⁻² ), LiNbO₃ (0,71 C·m ⁻² ) e LiTaO₃ (0,50 C·m ⁻² ).

"La fase ad alta pressione ottenuta questa volta ha confermato la presenza di una struttura polare dall'osservazione della generazione di seconda armonica della stessa forza del niobato di potassio, ed è stata ottenuta anche una permettività relativa relativamente alta. Per quanto riguarda la costante dielettrica, si prevede che valori uguali o superiori a quelli del niobato di potassio possono essere ottenuti aumentando la densità del campione, come previsto dai calcoli teorici," afferma il Prof. Yamamoto.

I ricercatori stanno pianificando ulteriori esperimenti per misurare con precisione la costante dielettrica e dimostrare l'elevata polarizzazione di RbNbO₃ . Il vantaggio del metodo ad alta pressione risiede nella sua capacità di stabilizzare sostanze che non esistono sotto la pressione atmosferica.

Utilizzando il metodo proposto, ioni di metalli alcalini più grandi come il cesio potrebbero essere incorporati nella struttura della perovskite, portando a materiali ferroelettrici con proprietà dielettriche desiderabili.