Фазовый состав, зеренное строение и диэлектрические спектры мультиферроиков Bi1-xGd xFeO3

Исследованию мультиферроиков уделяется огромное внимание [1−4] в связи с перспективой их применения в спинтронике и устройствах обработки и хранения информации. Настоящая работа продолжает предпринятые ранее исследования структуры, микроструктуры и физических свойств материалов на основе феррита висмута [5−7].

Объекты. Методы получения и исследования образцов

Объектами исследования выступили твердые растворы (ТР) состава Bi1-xGdx FeO3, (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 Cokбизлучение, 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.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Рентгенофазовый анализ показал, что за исключением одного ТР с х=0.13 все образцы содержали примесные фазы, причем до х=0.10 это были соединения Bi25FeO40 и Bi2Fe4O9, относительная интенсивность сильных линий которых достигала (10−12) %. При х>0.10 количество этих соединений значительно уменьшилось и основной примесной фазой в ТР с х=0.20−0.50 выступило соединение или ТР со структурой граната типа Gd3Fe5O12. Анализ дифракционных отражений показал, что в интервале 0.00?х<0.09 ТР имеют ромбоэдрическую (Рэ) симметрию, характерную для BiFeO3, в интервале 0.09?х<0.30 расположена широкая морфотропная область (МО), состав которой беспрерывно менялся: при 0.09?х<0.12 сосуществовали Рэ и ромбическая типа PbZrO3 (Р1) фазы; в интервале 0.12?х<0.15 сосуществовали Рэ, Р1 и ромбическая типа GdFeO3 (Р2) фазы; при 0.15?х<0.30 сосуществовали фазы Р1 и Р2; в интервале 0.30?х?0.5 оставалась только фаза Р2. Рассчитанные нами параметры ячейки фазы Р2 в ТР с х=0.20 и 0.30 имели значения, промежуточные между данными из [8] и [9]. Отметим, что в первой работе изучались наночастицы размерами от 21 нм до 47 нм и параметрами ячейки несколько большими, чем во второй, где изучались объемные объекты.

Микроскопическая структура керамики Bi1-хGdxFeO3, представленная на рис. 1, является неоднофазной. Крупные кристаллиты, имеющие форму многогранников с кривыми границами, занимают основную часть изучаемой поверхности и демонстрируют наиболее светлый контраст, являясь основной фазой материала. Присутствуют также «серые» кристаллиты второй фазы. При введении больших количеств Gd размеры частиц резко уменьшаются, а количество второй фазы минимизируется. Однако, при х = 0.20 происходит инверсия размеров светлых и «серых» кристаллитов. При этом зерна основной фазы становятся намного мельче.

мультиферроик керамика зеренное Анализ диэлектрической дисперсии керамик Bi1-xGdxFeO3 (рис.2) позволил выявить область температур (300−500)К, в которой все исследованные зависимости е/е0(Т) испытывают размытые экстремумы, смещающиеся с увеличением частоты в область высоких температур, что, вероятно, связано с формированием межслоевой поляризации на фоне внутрифазных перестроек в объектах [6,7,10].

Заключение

Полученные результаты необходимо использовать при разработке высокотемпературных мультиферроиков типа BiFeO3.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ: Грант Президента РФ № МК-3232−2015;2, темы №№ 1927, 213.01−2014/012-ВГ и 3.1246.2014/К.

Звездин А.К., Пятаков А. П. // УФН. 2012. Т. 182. № 6. С. 593−620.

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.

Шабельская Н.П., Ульянов А. К., Таланов М. В. и др. // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2297.

Fusil S., Garcia V., Barthйlйmy A., Bibes M. // Annual Review of Materials Research. 2014. V. 44. pp. 91−116.

Разумовская О.Н., Вербенко И. А., Андрюшин К. П. и др. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2009. Т. 9. № 1. С. 126−131.

Вербенко И.А., Гуфан Ю. М., Кубрин С. П. и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 8. С. 1192−1194.

Хасбулатов С.В., Павелко А. А., Гаджиев Г. Г. и др. // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 20. С. 142−146.

Weiwei Hu, Yan Chen, Hongming Yuan et al. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. pp. 8869−8875.

Khomchenko V.A., Shvartsman V.V., Borisov P. et al. // Acta Materialia. 2009. V. 57. pp. 5137−5145.