Physical properties of doped BaTiO3 Nanoparticles /
Mahasen Reda Nasief Hussein,
Physical properties of doped BaTiO3 Nanoparticles / الخواص الفيزيائية لجزيئات الباريوم تيتانيت النانومترية المطعمة / By Mahasen Reda Nasief Hussein; Supervisors Prof. Dr. Ebtesam Ateia El-Farhatey, Prof. Dr. Samaa Imam El-Dek, Assoc. Prof. Dr. Mohammed Mostafa Arman. - 72 pages : illustrations ; 30 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2024.
Bibliography: pages 71-72.
Barium titanate nanoparticles, BaTi1-xZrxO3 (0.0 < x < 0.3); (BZT), were prepared using a modified citrate technique. The samples crystallized in a single-phase tetragonal form, as confirmed by X-ray diffraction (XRD). The study was divided into three groups that investigated and presented various physical characteristics, as well as practical and theoretical applications.
The first group examined some of the structural, electrical, and ferroelectric characteristics of the investigated materials. X-ray powder diffraction (XRD) was employed to investigate the crystallinity of the samples. All samples were characterized using Fourier transform infrared spectra (FT-IR). The surface morphology of sintered samples was studied via a field emission scanning electron microscope (FESEM) connected to an EDAX unit (energy-dispersive X-ray analysis). An LCR meter was used to measure dielectric properties at various frequencies and temperatures. DC conductivity and I-V characteristic values were studied as a function of temperature, ranging from 300 to 800 K. At room temperature, polarization (P) was measured as a function of the electric field (E).
According to the XRD results, an increased Zr concentration leads to a decrease in crystallite size. Low Zr doping concentrations (x = 0.1) increase the recoverable energy storage density of barium titanate. The samples' conduction processes include two conduction mechanisms: small polaron (SP) at low temperatures (T < 500K) and correlated barrier hopping (CBH) at high temperatures (T > 500K). The Zr/Ti ratio is an important parameter for controlling the ferroelectric-paraelectric phase transition.
The second group examines the use of BZT nanoparticles in different applications, such as optical applications and waste water treatment. The roughness properties were studied using Gwyddion software to analyze topographical scans of the sample's surface. Raman spectroscopy indicates that the system is tetragonal. Furthermore, the UV-visible absorption of each sample was investigated. The predominant optical transition is the direct transition, and the optical band gap (Eg) values increase as the concentration of Zr4+ ions increases. The derivation of absorption spectrum fitting (DASF) approach is used to determine the type of transition and the coefficient of electronic transition (n). The Langmuir and Freundlich isotherms are utilized to understand the adsorption process of the investigated samples. BaTi0.8Zr0.2O3 has a high efficiency in removing 99.9% of heavy metals (Cr6+) from wastewater. The investigated samples have greater adsorption than the majority of other adsorbents, making BaTi0.8Zr0.2O3 NPs an effective adsorbent for removing (Cr6+) metal ions.
The third group focused on a comparison technique for calculating crystallite size, stress, strain, and elastic properties using X-ray diffraction (XRD) patterns. To analyze XRD data, many models have been established, each with its own set of assumptions, mathematical methodologies, and information provided. The Scherrer model excludes the lattice microstructures that form in nanostructures, such as intrinsic strain. To study these limitations, three Williamson-Hall models have been discussed: the uniform deformation model (UDM), the uniform stress deformation model (USDM), and the uniform deformation energy density model (UDEDM). According to the USDM model, when Zr ion concentrations increase, so does interplanar space, resulting in a decrease in Young's modulus. Previous techniques consider the diffraction angle (2θ)-dependent peak widening, which is assumed to be a mix of size and strain-induced broadening.
تم تحضير جسيمات تيتانات الباريوم النانومترية BaTi1-xZrxO3 (0.0 < x < 0.3) (BZT) باستخدام تقنية السيترات المعدلة. تبلورت العينات في شكل رباعي أحادي الطور، كما هو موضح بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) . تم تقسيم هذه الدراسة إلى ثلاثة أقسام تناولت وعرضت الخصائص الفيزيائية المختلفة، بالإضافة إلى التطبيقات العملية والنظرية.
تتناول المجموعة الأولى بعض الخصائص الهيكلية والكهربائية و الفرو إلكتريك للمواد التي تم تحليلها. تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) للتحقق من تبلور العينات. تم تسجيل تحويل فورييه لأطياف الأشعة تحت الحمراء (FT-IR) لجميع العينات. تم دراسة الشكل السطحي للعينات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) المتصل بوحدة EDAX (تحليل الأشعة السينية المشتتة من الطاقة). تم استخدام مقياس LCR لقياس خصائص العزل الكهربائي عند ترددات و درجات حرارة مختلفة. تم قياس قيم التوصيلية DC وI-V كدالة في درجة الحرارة (عند درجات حرارة تتراوح من 300 إلى 800 كلفن). في درجة حرارة الغرفة، تم قياس الاستقطاب (P) كدالة في المجال الكهربائي (E).
وفقًا لنتائج قياس XRD، فإن زيادة تركيز الزركونيوم يؤدي إلى انخفاض حجم البلورات. تزيد تركيزاتZr المنخفضة (x = 0.1) من كثافة تخزين الطاقة القابلة للاسترداد لتيتانات الباريوم. تشتمل عمليات التوصيل الكهربي للعينات على طريقتين للتوصيل: بولارون صغير (SP) في مدى درجات الحرارة الأقل من 500K، وقفز الحاجز المترابط (CBH) في مدى درجات الحرارة الأعلى من 500K، و تعد نسبة Zr/Ti مهمة للتحكم في انتقال الطور من الفرو إلكتريك إلى البارا إلكتريك.
تدرس المجموعة الثانية استخدامات جسيمات BZT النانومترية في تطبيقات مختلفة ، مثل: التطبيقات الضوئية و معالجة مياه الصرف الصحي. تمت دراسة خصائص الخشونة باستخدام برنامج Gwyddionلتحليل المسح الطبوغرافي لسطح العينة. و يشير مطياف رامان إلى أن النظام رباعي الأضلاع. علاوة على ذلك، تم دراسة UV لكل العينات المحضرة. بعد الفحص، ثبت أن الانتقال البصري المسموح به في العينات هو الانتقال المباشر، وأن قيم فجوة النطاق البصري (Eg) تزداد مع زيادة تركيز أيونات .Zr4+ يتم استخدام (DASF) لتحديد نوع الانتقال ومعامل الانتقال الإلكتروني .(n) تم استخدام طرق لانجميور وفريندليتش لفهم عملية الامتزاز للمواد محل الدراسة. تبين أن العينة BaTi0.8Zr0.2O3 تمتلك كفاءة عالية 99.9% على إزالة عنصر معدن الكروم الثقيل (Cr6+) من مياه الصرف الصحي. العينات المحضرة لها كفاءة أكبر من غالبية المواد الماصة الأخرى، مما يجعلBaTi0.8Zr0.2O3 مادة ماصة فعالة لإزالة أيونات فلز الكروم الثقيل .(Cr6+)
قدمت المجموعة الثالثة مقارنة لحساب حجم البلورات والإجهاد والانفعال وخصائص المرونة باستخدام أنماط حيود الأشعة السينية .(XRD) لتحليل بياناتXRD ، تم دراسة العديد من النماذج، ولكل منها مجموعتها الخاصة من الافتراضات والمنهجيات الرياضية والمعلومات المقدمة. يستبعد نموذج شيرير الاجهاد الشبكي الذي يتشكل في البنية النانومترية، مثل الاستطالة الداخلية. ولمعالجة هذه القيود، تمت مناقشة ثلاثة نماذج ويليامسون هول: نموذج التشوه الموحد (UDM)، ونموذج تشوه الإجهاد الموحد (USDM)، ونموذج كثافة طاقة التشوه الموحد (UDEDM). وفقًا لنموذج USDM، عندما تزداد تركيزات أيون الزركونيوم، يزداد أيضًا المسافات البينية داخل البلورة، مما يؤدي إلى انخفاض في معامل يونج. تأخذ التقنيات السابقة بعين الاعتبار توسيع الذروة المعتمدة على زاوية الحيود θ)2)، والتي يُفترض أنها مزيج من الحجم والتوسيع الناجم عن الإجهاد.
Text in English and abstract in Arabic & English.
physics
Barium titanate Ferroelectric characteristics Recoverable energy تيتانات الباريوم خصائص العزل الكهربائي كثافة تخزين الطاقة القابلة للاسترداد
530
Physical properties of doped BaTiO3 Nanoparticles / الخواص الفيزيائية لجزيئات الباريوم تيتانيت النانومترية المطعمة / By Mahasen Reda Nasief Hussein; Supervisors Prof. Dr. Ebtesam Ateia El-Farhatey, Prof. Dr. Samaa Imam El-Dek, Assoc. Prof. Dr. Mohammed Mostafa Arman. - 72 pages : illustrations ; 30 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2024.
Bibliography: pages 71-72.
Barium titanate nanoparticles, BaTi1-xZrxO3 (0.0 < x < 0.3); (BZT), were prepared using a modified citrate technique. The samples crystallized in a single-phase tetragonal form, as confirmed by X-ray diffraction (XRD). The study was divided into three groups that investigated and presented various physical characteristics, as well as practical and theoretical applications.
The first group examined some of the structural, electrical, and ferroelectric characteristics of the investigated materials. X-ray powder diffraction (XRD) was employed to investigate the crystallinity of the samples. All samples were characterized using Fourier transform infrared spectra (FT-IR). The surface morphology of sintered samples was studied via a field emission scanning electron microscope (FESEM) connected to an EDAX unit (energy-dispersive X-ray analysis). An LCR meter was used to measure dielectric properties at various frequencies and temperatures. DC conductivity and I-V characteristic values were studied as a function of temperature, ranging from 300 to 800 K. At room temperature, polarization (P) was measured as a function of the electric field (E).
According to the XRD results, an increased Zr concentration leads to a decrease in crystallite size. Low Zr doping concentrations (x = 0.1) increase the recoverable energy storage density of barium titanate. The samples' conduction processes include two conduction mechanisms: small polaron (SP) at low temperatures (T < 500K) and correlated barrier hopping (CBH) at high temperatures (T > 500K). The Zr/Ti ratio is an important parameter for controlling the ferroelectric-paraelectric phase transition.
The second group examines the use of BZT nanoparticles in different applications, such as optical applications and waste water treatment. The roughness properties were studied using Gwyddion software to analyze topographical scans of the sample's surface. Raman spectroscopy indicates that the system is tetragonal. Furthermore, the UV-visible absorption of each sample was investigated. The predominant optical transition is the direct transition, and the optical band gap (Eg) values increase as the concentration of Zr4+ ions increases. The derivation of absorption spectrum fitting (DASF) approach is used to determine the type of transition and the coefficient of electronic transition (n). The Langmuir and Freundlich isotherms are utilized to understand the adsorption process of the investigated samples. BaTi0.8Zr0.2O3 has a high efficiency in removing 99.9% of heavy metals (Cr6+) from wastewater. The investigated samples have greater adsorption than the majority of other adsorbents, making BaTi0.8Zr0.2O3 NPs an effective adsorbent for removing (Cr6+) metal ions.
The third group focused on a comparison technique for calculating crystallite size, stress, strain, and elastic properties using X-ray diffraction (XRD) patterns. To analyze XRD data, many models have been established, each with its own set of assumptions, mathematical methodologies, and information provided. The Scherrer model excludes the lattice microstructures that form in nanostructures, such as intrinsic strain. To study these limitations, three Williamson-Hall models have been discussed: the uniform deformation model (UDM), the uniform stress deformation model (USDM), and the uniform deformation energy density model (UDEDM). According to the USDM model, when Zr ion concentrations increase, so does interplanar space, resulting in a decrease in Young's modulus. Previous techniques consider the diffraction angle (2θ)-dependent peak widening, which is assumed to be a mix of size and strain-induced broadening.
تم تحضير جسيمات تيتانات الباريوم النانومترية BaTi1-xZrxO3 (0.0 < x < 0.3) (BZT) باستخدام تقنية السيترات المعدلة. تبلورت العينات في شكل رباعي أحادي الطور، كما هو موضح بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) . تم تقسيم هذه الدراسة إلى ثلاثة أقسام تناولت وعرضت الخصائص الفيزيائية المختلفة، بالإضافة إلى التطبيقات العملية والنظرية.
تتناول المجموعة الأولى بعض الخصائص الهيكلية والكهربائية و الفرو إلكتريك للمواد التي تم تحليلها. تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) للتحقق من تبلور العينات. تم تسجيل تحويل فورييه لأطياف الأشعة تحت الحمراء (FT-IR) لجميع العينات. تم دراسة الشكل السطحي للعينات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) المتصل بوحدة EDAX (تحليل الأشعة السينية المشتتة من الطاقة). تم استخدام مقياس LCR لقياس خصائص العزل الكهربائي عند ترددات و درجات حرارة مختلفة. تم قياس قيم التوصيلية DC وI-V كدالة في درجة الحرارة (عند درجات حرارة تتراوح من 300 إلى 800 كلفن). في درجة حرارة الغرفة، تم قياس الاستقطاب (P) كدالة في المجال الكهربائي (E).
وفقًا لنتائج قياس XRD، فإن زيادة تركيز الزركونيوم يؤدي إلى انخفاض حجم البلورات. تزيد تركيزاتZr المنخفضة (x = 0.1) من كثافة تخزين الطاقة القابلة للاسترداد لتيتانات الباريوم. تشتمل عمليات التوصيل الكهربي للعينات على طريقتين للتوصيل: بولارون صغير (SP) في مدى درجات الحرارة الأقل من 500K، وقفز الحاجز المترابط (CBH) في مدى درجات الحرارة الأعلى من 500K، و تعد نسبة Zr/Ti مهمة للتحكم في انتقال الطور من الفرو إلكتريك إلى البارا إلكتريك.
تدرس المجموعة الثانية استخدامات جسيمات BZT النانومترية في تطبيقات مختلفة ، مثل: التطبيقات الضوئية و معالجة مياه الصرف الصحي. تمت دراسة خصائص الخشونة باستخدام برنامج Gwyddionلتحليل المسح الطبوغرافي لسطح العينة. و يشير مطياف رامان إلى أن النظام رباعي الأضلاع. علاوة على ذلك، تم دراسة UV لكل العينات المحضرة. بعد الفحص، ثبت أن الانتقال البصري المسموح به في العينات هو الانتقال المباشر، وأن قيم فجوة النطاق البصري (Eg) تزداد مع زيادة تركيز أيونات .Zr4+ يتم استخدام (DASF) لتحديد نوع الانتقال ومعامل الانتقال الإلكتروني .(n) تم استخدام طرق لانجميور وفريندليتش لفهم عملية الامتزاز للمواد محل الدراسة. تبين أن العينة BaTi0.8Zr0.2O3 تمتلك كفاءة عالية 99.9% على إزالة عنصر معدن الكروم الثقيل (Cr6+) من مياه الصرف الصحي. العينات المحضرة لها كفاءة أكبر من غالبية المواد الماصة الأخرى، مما يجعلBaTi0.8Zr0.2O3 مادة ماصة فعالة لإزالة أيونات فلز الكروم الثقيل .(Cr6+)
قدمت المجموعة الثالثة مقارنة لحساب حجم البلورات والإجهاد والانفعال وخصائص المرونة باستخدام أنماط حيود الأشعة السينية .(XRD) لتحليل بياناتXRD ، تم دراسة العديد من النماذج، ولكل منها مجموعتها الخاصة من الافتراضات والمنهجيات الرياضية والمعلومات المقدمة. يستبعد نموذج شيرير الاجهاد الشبكي الذي يتشكل في البنية النانومترية، مثل الاستطالة الداخلية. ولمعالجة هذه القيود، تمت مناقشة ثلاثة نماذج ويليامسون هول: نموذج التشوه الموحد (UDM)، ونموذج تشوه الإجهاد الموحد (USDM)، ونموذج كثافة طاقة التشوه الموحد (UDEDM). وفقًا لنموذج USDM، عندما تزداد تركيزات أيون الزركونيوم، يزداد أيضًا المسافات البينية داخل البلورة، مما يؤدي إلى انخفاض في معامل يونج. تأخذ التقنيات السابقة بعين الاعتبار توسيع الذروة المعتمدة على زاوية الحيود θ)2)، والتي يُفترض أنها مزيج من الحجم والتوسيع الناجم عن الإجهاد.
Text in English and abstract in Arabic & English.
physics
Barium titanate Ferroelectric characteristics Recoverable energy تيتانات الباريوم خصائص العزل الكهربائي كثافة تخزين الطاقة القابلة للاسترداد
530