Фазовый состав и физические свойства высокотемпературного мультиферроика BiFeO3/Nd

Материалы, сочетающие магнитные и сегнетоэлектрические свойства, привлекают в последние годы к себе огромное внимание как ученых из-за интересных физических эффектов, так и различных научно-технических компаний ввиду широкой перспективности таких объектов для различных областей микро-, наноэлектроники, спинтроники [1−5]. Настоящая работа является продолжением экспериментального изучения одного из самых перспективных мультиферроиков — феррита висмута, BiFeO3, модифицированного редкоземельными элементами (РЗЭ) [6,7] и нацелена на получение новых знаний о закономерностях формирования структуры, микроструктуры и особенностей диэлектрических спектров керамических образцов твердых растворов (ТР) феррита висмута с замещением висмута на неодим (Nd) в широком интервале концентраций.

Объекты. Методы получения и исследования образцов

В качестве объектов исследования были выбраны керамические ТР состава Bi1-xNd xFeO3, (x = 0.025−0.50, Дх = 0.025ч0,10), полученные по методике, описанной в [6]. Рентгенографические исследования при комнатной температуре осуществляли методом порошковой дифракции с помощью дифрактометра ДРОН-3. Микроструктуру объектов изучали на оптическом микроскопе Leica DMI 5000 М в отраженном свете. Относительная диэлектрическая проницаемость (е/е0) исследовалась на образцах в форме диска диаметром 10 мм и толщиной 1 мм с нанесенными (путем вжигания) на плоские торцевые поверхности серебросодержащими электродами с использованием сконструированного стенда на основе 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.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Подробное изучение структуры ТР системы Bi1-xNdxFeO3 в интервале 0.00?x?0.20 с шагом ?х=0.05 выполнено и представлено в [7]. Было установлено, что ромбоэдрическая (Рэ) фаза, характерная для BiFeO3, сохраняется до x=0.10, в интервале 0.10<x<0.20 происходит переход из Рэ фазы в ромбическую типа PbZrO3 (Р 1), при x=0.15 фазы Рэ и Р 1 сосуществуют, в интервале 0.15<х?0.20 расположена фаза Р 1. Результаты нашего исследования отличаются от данных, приведенных в [8], где при 0.05?x<0.17 ТР имеют триклинную симметрию.

Рентгенофазовый анализ показал, что в ТР c x=0.30 видны следы фазы Bi2Fe4O9, остальные ТР представляют собой чистую перовскитную фазу. ТР с x=0.30 содержит линии фазы Р 1 и слабые пики, которые соответствуют ромбической фазе типа GdFeO3 (фаза Р 2). ТР с x=0.40 и x=0.50 представляют собой чистую фазу Р 2. Таким образом, в системе Bi1-xNdxFeO3 в интервале 0.00<xР 1 и Р 1>Р 2; локализация фаз: Рэ — 0.00?x<0.15, Рэ+Р 1 — 0.15?x<0.20, Р 1 — 0.15<x?0.20, Р 1+Р 2 — 0.20<x?0.30, Р 2 — 0.30<x?0.50.

На рис. 1. Показаны фотографии зеренной структуры образцов керамических ТР феррита висмута, легированного неодимом, которые обладают следующими особенностями. При х = 0 в большом количестве наблюдаются зёрна с различной морфологией, значительно отличающиеся друг от друга: видны крупные зёрна неправильной формы основной «светлой» фазы (размер зерна ~ 10 мкм) и более мелкие и темные зёрна второй «серой» фазы (размер зерна ~ 4 мкм).

Рис. 2. — Зависимости е/е0 (T) образцов керамики Bi1-xNdxFeO3 0,025?х?0,50 от температуры в интервале частот (25ч1,2*106)Гц, (стрелкой указан рост частоты, f)

С ростом х до 0,05 количество зерен «серой» фазы уменьшается, при этом размер зёрен «светлой» фазы остается без изменений (размер зерна ~ 8 мкм). При х = 0,10 наблюдается увеличение размеров зёрен основной фазы (размер зерна ~ 30 мкм), при этом «серая» фаза практически исчезает. Дальнейшее увеличение х провоцирует рост степени неоднородности микроструктуры, что выражается в резком уменьшении размеров зёрен при х = 0,15 (размер зерна ~ 4 мкм) и при х = 0,20 (1ч2) мкм).

На рис. 2 показаны термочастотные зависимости е/е0 Bi1-xNdxFeO3 (0.00? 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 межфазных зеренных и структурных границах [10].

Заключение

Полученные в результате проведенных исследований данные 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 (базовая и проектная части Госзадания).

• 1. Fusil S., Garcia V., Barthйlйmy A., Bibes M. // Annual Review of Materials Research. 2014. V. 44. pp. 91−116.
• 2. Lekha C., Sudarsanan V., Pookat G. // Recent Patents on Materials Science. V. 7 (2). pp. 103−108.
• 3. Ramesh R., Spaldin N.A. // Nature materials. 2007. V. 6. pp. 21−29.
• 4. Костишин В. Г., Крупа Н. Н., Невдача В. В. и др. // Инженерный вестник Дона. 2013. № 3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD₇₄_Kostishyn.pdf_1851.pdf
• 5. Шабельская Н. П., Ульянов А. К., Таланов М. В. и др. // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2297
• 6. Разумовская О. Н., Вербенко И. А., Андрюшин К. П. и др. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2009. Т. 9. № 1. С. 126−131.
• 7. Вербенко И. А., Гуфан Ю. М., Кубрин С. П. и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 8. С. 1192−1194.
• 8. Yuan G.L., Siu Wing Ora, Wa Chan H.L. // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 64 101.
• 9. Хасбулатов С. В., Павелко А. А., Гаджиев Г. Г. и др. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 20. С. 142−146.
• 10. Biswal M.R., Nanda J., Mishra N.C. et al. // Advanced Materials Letters. 2014. V. 5. N 9. pp. 531−537.

References

• 1. Fusil S., Garcia V., Barthйlйmy A., Bibes M. Annual Review of Materials Research. 2014. V. 44. pp. 91−116.
• 2. Lekha C., Sudarsanan V., Pookat G. Recent Patents on Materials Science. V. 7 (2). pp. 103−108.
• 3. Ramesh R., Spaldin N.A. Nature materials. 2007. V. 6. pp. 21−29.
• 4. Kostishin V.G., Krupa N.N., Nevdacha V.V. et al. Inћenernyj vestnik Dona (Rus). 2013. № 3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD₇₄_Kostishyn.pdf_1851.pdf
• 5. Shabel’skaja N.P., Ul’janov A.K., Talanov M.V. et al. Inћenernyj vestnik Dona (Rus). 2014. № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2297
• 6. Razumovskaja O.N., Verbenko I.A., Andrjushin K.P. et al. Fundamental’nye problemy radiojelektronnogo priborostroenija. 2009. V. 9. № 1. pp. 126−131.
• 7. Verbenko I.A., Gufan Ju.M., Kubrin S.P. et al. Izvestija RAN. Serija fizicheskaja. 2010. T. 74. № 8. P. 1192−1194.
• 8. Yuan G.L., Siu Wing Ora, Wa Chan H.L. J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 64 101.
• 9. Hasbulatov S.V., Pavelko A.A., Gadzhiev G.G. et al. Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2014. V. 17. № 20. P. 142−146.
• 10. Biswal M.R., Nanda J., Mishra N.C. et al. Advanced Materials Letters. 2014. V. 5. N 9. pp. 531−537.