Исследования высокотемпературного мультиферроика феррита висмута, легированного самарием

Феррит висмута, BiFeO₃, является одним из наиболее известных сегнетомагнетиков — материалов, одновременно сочетающих магнитные и сегнетоэлектрические свойства [1,2]. Подобные материалы являются объектом многочисленных исследований в связи с перспективами практического применения [3,4]. Феррит висмута и его твердые растворы (ТР) являются удобными объектами для создания подобных материалов благодаря высоким значениям температур электрического (температура Кюри, Т_с ~ 1083 K) и магнитного (температура Нееля, T_N ~ 643 K) упорядочений [1]. Цель настоящей работы — выявить закономерности формирования структуры и диэлектрических свойств керамических образцов ТР феррита висмута с замещением Bi самарием, Sm, различной концентрации.

Объектами исследования выступили керамики состава Bi1-xSm xFeO3, (x = 0.025−0.50, Дх = 0.025ч0,10), полученные по методике, описанной в [5]. Рентгенографические исследования при комнатной температуре проводили методом порошковой дифракции с использованием дифрактометра ДРОН-3 (отфильтрованное Cokб— излучение, схема фокусировки по Брэггу — Брентано). Зёренное строение объектов изучали на оптических микроскопе Leica DMI 5000M в отраженном свете при комнатной температуре. Относительная диэлектрическая проницаемость (е/е0) исследовалась на специальном стенде с использованием прецизионного LCR-метра Agilent E4980A в интервале температур 300−900 К и диапазоне частот 20−2· 10⁶ Гц в условиях равномерного нагрева и охлаждения со скоростью 5 К/мин.

Рентгенофазовый анализ показал, что беспримесные ТР образуются при 0.10₂Fe₄O₉ и Bi₂₅FeO₃₉ образуются вблизи BiFeO₃, относительная интенсивность их сильных линий, I_отн=4−8, в ТР с х=0.50 появляется соединение со структурой граната Sm₃Fe₅O₁₂, (I_отн=15). Фазовая диаграмма системы выглядит следующим образом: ромбоэдрическая (Рэ) фаза, свойственная BiFeO₃, существует в интервале 0.00?х<0.15, ромбическая (Р) фаза типа PbZrO₃ (фаза Р₁) существует в интервале 0.05 < х? 0.20, Р фаза типа LnFeO₃ (фаза Р₂) расположена в интервале 0.15< х? 0.50. Области сосуществования фаз находятся в интервалах: 0.05 < х? 0.10 — Рэ+Р₁ и 0.15 < х? 0.20 — Р₁+Р₂. Относительно фазы Р₂ необходимо сделать следующее замечание: две Р-фазы — полярная с пространственной группой Pn21a и неполярная — Pnma, соответствующая соединениям LnFeO₃, имеют одинаковую дифракционную картину и при уточнении методом Ритвельда дают практически одинаковый фактор недостоверности [6,7]. Поэтому установить пространственную группу можно только после проведения электрофизических измерений. диэлектрический феррит самарий Микроструктура керамик является многофазной (рис. 1). Крупные светлые зерна с искривленными границами составляют матрицу основной фазы. Черные локальные области — поры, несколько неравномерно распределенные по образцу. Серые зерна меньшего размера, имеющие более прямые границы, являются второй (примесной) фазой. При увеличении содержания Sm наблюдается существенное уменьшение количества серой фазы и размеров всех трех компонентов микроструктуры.

Рис. 1. Фрагменты микроструктуры керамик Bi_1-xSm_xFeO₃ 0.05? х? 0.20, х=0.05 (а); х=0.10 (б); х=0.15 (в); х=0.20 (г)

На рис. 2 показаны термочастотные зависимости е/е₀ Bi_1-xSm_xFeO₃ (x0.025?х?0.50, Дх = 0.05ч0,10). Рассматриваемые зависимости испытывают аномалии в области температур (300−500)К, имеющие вид сильно дисперсионных максимумов, релаксационная природа которых, вероятно, связана с накоплением свободных зарядов на поверхностях раздела различных фаз, что характерно для подобных материалов [8−10].

Заключение

Полученные результаты необходимо использовать при разработке высокотемпературных мультиферроиков типа BiFeO₃.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Электромагнитные, электромеханические и тепловые свойства твердых тел» при финансовой поддержке Минобрнауки РФ: Грант Президента РФ № МК-3232−2015;2, темы №№ 1927, 213.01−2014/012-ВГ и 3.1246.2014/К.

• 1. Смоленский Г. А., Чупис И. Е. // Успехи физических наук. 1982. Т. 137. N 3. С. 415 — 448.
• 2. Звездин А. К., Пятаков А. П. // УФН. 2012. Т. 182. № 6. С. 593−620.
• 3. Костишин В. Г., Крупа Н. Н., и др. // Инженерный вестник Дона, 2013, URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD₇₄_Kostishyn.pdf_1851.pdf
• 4. Шабельская Н. П., Ульянов А. К., Таланов М. В. и др. // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2297
• 5. Разумовская О. Н., Вербенко И. А., Андрюшин К. П. и др. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2009. Т. 9. № 1. С. 126−131.
• 6. Khomchenko V.A., Kiselev D.A., Bdikin K. et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 262 905.
• 7. Hu W., Chen Y., Yuan H. et al. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. pp. 8869−8875.
• 8. Вербенко И. А., Гуфан Ю. М., Кубрин С. П. и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 8. С. 1192−1194.
• 9. Хасбулатов С. В., Павелко А. А., Гаджиев Г. Г. и др. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 20. С. 142−146.
• 10. Palaimiene E., Macutkevic J., Karpinsky D.V. et al. // Applied Physics Letters. 2015. V. 106. № 1. P. 12 906.