REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Bizmutov ferit, BiFeO3 (BFO), je pritegnil pozornost zaradi visoke Curiejeve temperature (~825 °C), ki mu daje potencial za uporabo v visokotemperaturnih piezoelektričnih aplikacijah. Kljub obetavnim lastnostim je uporaba tega materiala omejena predvsem zaradi visoke električne prevodnosti. Poleg tega ima preklapljanje domenskih sten v BFO karakteristike feroelektričnega utrjevanja, kar se kaže kot vpetost in zamik feroelektrične zanke. Takšno obnašanje se pripisuje raznim točkastim defektom, npr. bizmutovim vrzelim (𝑉𝐵𝑖′′′), kisikovim vrzelim (𝑉𝑂••), Fe2+ (𝐹𝑒𝐹𝑒′) in Fe4+ (𝐹𝑒𝐹𝑒•), prav tako pa tudi kompleksom defektov, npr. 𝑉𝐵𝑖′′′−𝑉𝑂••, 𝐹𝑒𝐹𝑒′−𝑉𝑂••, 𝑉𝐵𝑖′′′−𝐹𝑒𝐹𝑒•. Vzrok za visoko električno prevodnost in feroelektrično utrjevanje v BFO keramiki torej ostaja nepojasnjen in kliče po sistematični študiji. Razumevanje teh mehanizmov bi lahko pomagalo pri načrtovanju funkcionalnih lastnosti keramike na osnovi BFO za visokotemperaturne aplikacije (>~250 °C).
Cilj raziskave je bil nadzorovano vnesti točkaste defekte v BFO in raziskati njihov vpliv na funkcionalne lastnosti materiala, predvsem na električno prevodnost in vpenjanje domenskih sten. To smo dosegli z dodatkom kobalta (Co) kot dopanta v BFO in naknadnim žganjem keramike pri različnih parcialnih tlakih kisika.
Vse sestave Bi(Fe1-xCox)O3 keramike so vsebovale primerljivo količino sekundarnih faz (<1 ut.%). Električna prevodnost in utrjevanje keramike, slednje opaženo iz preklapljanja feroelektričnih domen in piezoelektričnega odziva, je naraščalo s koncentracijo dopanta. To smo pripisali povečani koncentraciji 𝑉𝑂•• in 𝐹𝑒𝐹𝑒•, na podlagi česar smo zaključili, da se Co obnaša kot akceptor (𝐶𝑜𝐹𝑒′).
Ugotovili smo, da je preklapljanje feroelektričnih domen oteženo po žganju v N2, kar smo pripisali predvsem povečani koncentraciji 𝑉𝑂•• (in tudi 𝐶𝑜𝐹𝑒′). In-situ meritve električne prevodnosti in Seebeckovega koeficienta so potrdile prevodnost tipa p, vendar je hitra kinetika redoks reakcije nakazala na lokalizirane procese redukcije.
Lokalne meritve prevodnosti z uporabo mikroskopa na atomsko silo so pokazale, da se delež prevodnih domenskih sten in mej med zrni v povprečju zmanjša po žganju v N2, kar potrjuje njihov značaj tipa p pa tudi lokalizacijo redoks procesov. Pri preiskavi domenskih sten z vrstičnim presevnim elektronskim mikroskopom smo ugotovili prisotnost 𝑉𝐵𝑖′′′ and 𝐹𝑒𝐹𝑒• v sintranem vzorcu in zmanjšano koncentracijo 𝐹𝑒𝐹𝑒• v vzorcu žganem v N2. Z elektronsko paramagnetno resonanco smo identificirali komplekse defektov 𝐶𝑜𝐹𝑒′−𝑉𝑂••. Modeliranje s teorijo gostotnega funkcionala v BFO keramiki dopirani s Co je potrdilo, da želijo biti 𝑉𝑂•• čim bližje Co centrov, kar je tudi močen indikator, da se Co obnaša kot akceptorski dopant, t.j., 𝐶𝑜𝐹𝑒′.
Rezultati raziskave kažejo, da imajo pri pogojih, pod katerimi pride do preklapljanja domen ključno vlogo pri feroelektričnem utrjevanju kompleksi defektov 𝐶𝑜𝐹𝑒′−𝑉𝑂••. Po drugi strani pa imajo pri prevodnosti in pogojih, pod katerimi pride do vzbujanja, ne pa tudi preklapljanja domen, zlasti pri veliki piezoelektrični nelinearnosti in histerezi izmerjeni pri nizkih frekvencah, ključno vlogo 𝐹𝑒𝐹𝑒•. Rezultati torej kažejo, da lahko različni tipi točkastih defektov glede na pogoje vzbujanja (amplituda, frekvenca električnega polja) kontrolirajo makroskopske lastnosti.