Estudo Da Formação De Defeitos Intrínsecos No Titanato De Bário Via Simulação Atomística Clássica

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

RUAN SÁVIO FERREIRA ZEFERINO

ESTUDO DA FORMAÇÃO DE DEFEITOS INTRÍNSECOS NO TITANATO DE BÁRIO (BaTiO3) VIA SIMULAÇÃO ATOMÍSTICA CLÁSSICA

CRUZ DAS ALMAS

2022

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ESTUDO DA FORMAÇÃO DE DEFEITOS INTRÍNSECOS NO TITANATO DE BÁRIO (BaTiO3) VIA SIMULAÇÃO ATOMÍSTICA CLÁSSICA

RUAN SÁVIO FERREIRA ZEFERINO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Bacharelado em Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas.

Orientador: Prof. Dr. Jerre Cristiano Alves dos Santos

CRUZ DAS ALMAS

2022

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Agradecimentos

Agradeço ao meu orientador, prof. Dr. Jerre Cristiano Alves dos Santos pela oportunidade da realização deste trabalho, pela orientação e pela paciência durante este processo;

Aos membros do Capítulo Valença número 456 da Ordem DeMolay;

Aos amigos que direta e indiretamente fizeram parte da minha formação, especialmente Bruna, Joelson e Wellerson por todos os cafés e prazerosas partidas de xadrez;

Aos meus familiares Andreia, Cristiano, Verônica, Silvia, Edson e Ana por todo apoio e incentivo neste percurso;

À minha avó, dona Nenzinha, razão de tudo isso e dona de todo meu carinho e admiração.

À minha irmã Rhana por toda paciência, cordialidade, bicicleta, celular, computador....rs

Aos meu pais, Antônio Célio Zeferino e Solange Zeferino, berço de todo amor, respeito e motivação, por serem os responsáveis por todos os passos de minha vida.

À Universidade Federal do Recôncavo da Bahia.

À educação pública, gratuita e de qualidade!

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“Nosso tesouro está onde se assentam as colmeias do nosso conhecimento”

(Friederich Nietzsche)

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Resumo

O titanato de bário (BaTiO3 –BT) é um material inorgânico com excelentes propriedades ferroelétricas que se destacam em relação a outros materiais com características similares. Tais propriedades vêm sendo amplamente estudadas nas últimas décadas e cada vez mais esse sistema é aproveitado no mercado dos componentes eletrônicos. Essas propriedades se manifestam em diferentes fases e, a depender de quais sejam as características de interesse, deve-se levar em consideração os defeitos existentes na estrutura cristalina do material. Defeitos como vacâncias e interstícios geralmente surgem no processo de solidificação da cerâmica e sua concentração pode mudar completamente as propriedades ópticas, mecânicas e ferroelétricas do material inteiro. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo utilizar conhecimentos de simulação computacional atomística clássica para modelar o titanato de bário em fase tetragonal e investigar quais são os defeitos intrínsecos mais prováveis de ocorrer. A modelagem foi feita pelo código GULP (General Utility Lattice Program) via método dos campos de força, visando representar a estrutura por interações de curto e longo alcance através do potencial interatômico de Buckingham e o potencial coulombiano, respectivamente. Os parâmetros necessários para o potencial foram obtidos em resultados reportados na literatura e foram feitas tentativas de ajuste empírico. Foi considerado o efeito da polarizabilidade iônica através do modelo core-shell, considerando o íon O2- como o mais polarizável. Foi utilizado o método de Newton-Raphson para a minimização da energia da rede, e as energias dos defeitos foram calculados via estratégia das duas regiões de Mott-Littleton. De posse das energias dos defeitos básicos, obteve-se as energias para defeitos intrínsecos tipo Frenkel catiônico, Frenkel aniônico, Schottky, anti-Schottky, pseudo-Schottky e anti-sítio. Uma vez que as energias foram calculadas, finalmente concluiu-se que os defeitos mais prováveis de acontecer são os defeitos Schottky e pseudo-Schottky de titânio (mais especificamente se estes envolverem vacâncias de oxigênio do grupo O1).

Palavras chave: titanato de bário, simulação atomística clássica, defeitos intrínsecos, potencial de Buckingham.

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Abstract

Barium titanate (BaTiO3 –BT) is an inorganic material with excellent ferroelectric properties that stand out in relation to other materials with similar characteristics. Such properties have been widely studied in recent decades and this system is increasingly being used in the electronic components market. These properties are manifested in different phases and, depending on which are the characteristics of interest, the existing defects in the crystalline structure of the material must be taken into account. Defects such as vacancies and intertices usually arise in the ceramic solidification process and their concentration can completely change the optical, mechanical and ferroelectric properties of the entire material. In this context, in the present work we aimed to use knowledge of classical atomistic computational simulation to model barium titanate in tetragonal phase and investigate which are the most likely intrinsic defects to occur. The modeling was done by the GULP (General Utility Lattice Program) code via the force field method, aiming to represent the structure by short and long range interactions through the interatomic potential of Buckingham and the coulomb potential, respectively. The necessary parameters for the potential were obtained from results reported in the literature and empirical adjustment attempts were made. The effect of ionic polarizability was considered through the core-shell model, considering the O2- ion as the more polarizable. The Newton-Raphson method was used to minimize the lattice energy, and the defect energies were calculated via the two-region Mott-Littleton strategy. With the energies of the basic defects, the energies for intrinsic defects of the cationic Frenkel, anionic Frenkel, Schottky, anti-Schottky, pseudo-Schottky and anti-site defects were obtained. Once the energies were calculated, it was finally concluded that the defects most likely to occur are Schottky and pseudo-Schottky defects in titanium (more specifically if these involve oxygen vacancies of the O1 group).

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