Дослідження електрофізичних властивостей, фазових діаграм та переносу носіїв заряду в нанопорошках Bi1 – xSmxFeO3
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.10.717Ключові слова:
дiелектрична проникнiсть, питомий опiр, ортоферит, наночастинки, мультифероїк, електрофiзичнi властивостi, фазовий перехiд, фазова дiаграмаАнотація
Нанорозмiрнi мультифероїки з рiзними параметрами розмiрiв i форми є базовими модельними об’єктами для вивчення полярної, антиполярної та магнiтної орiєнтацiї, а також магнiтоелектричної взаємодiї. Оксид вiсмуту-самарiю (Bi1−xSmxFeO3) є класичним ортоферитом, полярнi та магнiтнi властивостi якого достатньо вивченi як для об’ємних зразкiв, так i для тонких плiвок. Однак властивостi саме наночастинок Bi1−xSmxFeO3 вивченi набагато менше теоретично та експериментально, не дивлячись на те, що вони можуть бути використанi для збору та зберiгання енергiї, а також для створення сучасних комiрок енегонезалежної фероелектричної пам’ятi. У цiй роботi ми застосували метод Гiнзбурга–Ландау–Девоншира для проведення феноменологiчних розрахункiв полярних i дiелектричних властивостей наночастинок Bi1−xSmxFeO3 i побудови фазових дiаграм залежно вiд середнього розмiру наночастинок, а також вiд частки самарiю в твердому розчинi. Вплив поверхневої адсорбцiї/десорбцiї на дiелектричнi, полярнi та магнiтоелектричнi властивостi за рiзних температур розраховано з використанням пiдходу Стефенсона–Хайленда. Проведено експериментальнi дослiдження частотної залежностi дiелектричної сприйнятливостi та провiдностi нанопорошкiв Bi1−xSmxFeO3. Результати експериментальних дослiджень корелюють з теоретичними передбаченнями, що в сукупностi поглиблює розумiння фiзичних механiзмiв провiдностi та переносу заряду в нанопорошках ортофериту, що в подальшому дасть змогу створювати новi нанокомпозити з покращеними та/або керованими властивостями, а також розширить перспективи їх активного застосування в наноелектронiцi та накопичувачах енергiї.
Посилання
1. F. Zhang, X. Zeng, D. Bi, K. Guo, Y. Yao, S. Lu. Dielectric, Ferroelectric, and magnetic properties of SM-doped bifeo3 ceramics prepared by a modified solid-state-reaction method. Materials 11 (11), 2208 (2018).
https://doi.org/10.3390/ma11112208
2. W. Yan, Z.-L. Hou, S. Bi, R.-B. Cui, M. Tang. Enhanced magnetization and bias voltage-dependent dielectric properties of SM-doped bifeo3 multiferroic nanofibers. J. Mater. Sci. 53 (14), 10249 (2018).
https://doi.org/10.1007/s10853-018-2341-1
3. A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, I.V. Fesych, Y.O. Zagorodniy, O.S. Pylypchuk, E.V. Leonenko et al. Reentrant polar phase induced by the ferro-ionic coupling in Bi1−zSmzFeO3 nanoparticles. Phys. Rev. B 110, 224110 (2024),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.224110
4. S. Chaturvedi, S.K. Singh, P. Shyam, M.M. Shirolkar, S. Krishna, R. Boomishankar et al. Nanoscale LuFeO3: Shape dependent ortho/hexa-phase constitution and nanogenerator application. Nanoscale 10 (45), 21406 (2018).
https://doi.org/10.1039/C8NR07825D
5. Z. Fan, S. Gao, Y. Chang, D. Wang, X. Zhang, H. Huang et al. Ultra-superior high-temperature energy storage properties in polymer nanocomposites via rational design of core-shell structured inorganic antiferroelectric fillers. J. Mater. Chem. A 11 (13), 7227 (2023).
https://doi.org/10.1039/D2TA09658G
6. L. Baudry, I. Lukyanchuk, V.M. Vinokur. Ferroelectric symmetry-protected multibit memory cell. Sci. Rep. 7, 42196 (2017).
https://doi.org/10.1038/srep42196
7. C. Anthonyraj, M. Muneeswaran, S. Gokul Raj, N.V. Giridharan, V. Sivakumar, G. Senguttuvan. Effect of samarium doping on the structural, optical and magnetic properties of sol-gel processed BiFeO3 thin films. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 26 (1), 49 (2014).
https://doi.org/10.1007/s10854-014-2361-9
8. H. Singh, K.L. Yadav. Structural, dielectric, vibrational and magnetic properties of SM doped BiFeO3 multiferroic ceramics prepared by a rapid liquid phase sintering method. Ceramics International 41 (8), 9285 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.03.212
9. V.A. Khomchenko, D.V. Karpinsky, M.V. Bushinsky, D.V. Zhaludkevich, A. Franz, M.V. Silibin. Effect of Mn substitution on the crystal and magnetic structure of Bi1−xCaxFeO3−x/2 multiferroics. Mater. Lett. 266, 127470 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127470
10. A. Haruna, I. Abdulkadir, S.O. Idris. Photocatalytic activity and doping effects of BiFeO3 nanoparticles in model organic dyes. Heliyon 6 (1), e03237 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03237
11. T. Zheng, J. Wu. Effects of site engineering and doped element types on piezoelectric and dielectric properties of bismuth ferrite lead-free ceramics. J. Mater. Chem. C 3 (43), 11326 (2015).
https://doi.org/10.1039/C5TC02203G
12. H.H. Singh, H.B. Sharma. Enhanced Electrical and magnetic properties of samarium (SM) doped multiferroic bismuth ferrite (BFO) ceramics. Integrated Ferroelectrics, 203 (1), 120 (2019).
https://doi.org/10.1080/10584587.2019.1674964
13. S. Irfan, Y. Shen, S. Rizwan, H. Wang, S.B. Khan, C. Nan. Band-gap engineering and enhanced photocatalytic activity of Sm and Mn doped BiFeO3 nanoparticles. J. American Ceramic Society 100 (1), 31 (2016).
https://doi.org/10.1111/jace.14487
14. Y.B. Yao, W.C. Liu, C.L. Mak. Pyroelectric properties and electrical conductivity in samarium doped BiFeO3 ceramics. J. Alloys and Compounds 527, 157 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.182
15. Md.S. Sheikh, T.K. Bhowmik, A. Dutta, S. Saha, C.R. Joshi, T.P. Sinha. Triclinic BiFeO3: A room-temperature multiferroic phase with enhanced magnetism and resistivity. Phys. Rev. B 108 (10), 104427 (2023).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.104427
16. Y.-W. Lu, X. Qi. Hydrothermal synthesis of pure and SBdoped BiFeO3 with the typical hysteresis loops of ideal ferroelectrics. J. Alloys and Compounds 774, 386 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.374
17. K.Y. Yun, M. Noda, M. Okuyama. Prominent ferroelectricity of BiFeO3 thin films prepared by pulsed-laser deposition. Appl. Phys. Lett. 83 (19), 3981 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.1626267
18. W. Eerenstein, N.D. Mathur, J.F. Scott. Multiferroic and magnetoelectric materials. Nature 442 (7104), 759 (2006).
https://doi.org/10.1038/nature05023
19. R. Ramesh. Emerging routes to multiferroics. Nature 461 (7268), 1218 (2009).
https://doi.org/10.1038/4611218a
20. S.-W. Cheong, M. Mostovoy. Multiferroics: A magnetic twist for ferroelectricity. Nature Materials 6 (1), 13 (2007).
https://doi.org/10.1038/nmat1804
21. G. Catalan, J.F. Scott. Physics and applications of bismuth ferrite. Advanced Materials 21 (24), 2463 (2009).
https://doi.org/10.1002/adma.200802849
22. M. Fiebig. Revival of the magnetoelectric effect. J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (8), R123 (2005).
https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/8/R01
23. I.V. Blonskii, E.A. Eliseev, P.M. Tomchuk. Abstract the photogeneration of sound by the ensemble of nanoclusters incorporated in a dielectric matrix. Ukr. J. Phys. 45 (9), 1110 (2000).
24. P.M. Tomchuk, D.V. Butenko. The nanoparticle shape's effect on the light scattering cross-section. Surf. Sci. 606, 1892 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.susc.2012.07.035
25. P.M. Tomchuk, Y. Bilotsky. New peculiarity in the temperature and size dependence of electron-lattice energy exchange in metal nanoparticles. Int. J. Mod. Phys. B 28, 1450220 (2014).
https://doi.org/10.1142/S0217979214502208
26. P.M. Tomchuk, D. Butenko. Nonlocal effects in metallic nanoparticles: The kinetic approach outlook. Int. J. Mod. Phys. B 31, 1750029 (2017).
https://doi.org/10.1142/S0217979217500291
27. A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.V. Kalinin, Y.M. Vysochanskii, P. Maksymovych. Stress-induced phase transitions in nanoscale. Phys. Rev. B 104 (5), 054102 (2021).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.054102
28. A.K. Tagantsev, G. Gerra. Interface-induced phenomena in polarization response of ferroelectric thin films. J. Appl. Phys. 100 (5), 051607 (2006).
https://doi.org/10.1063/1.2337009
29. L.D. Landau, E.M. Lifshitz, L.P. Pitaevskii. Electrodynamics of Continuous Media (Butterworth-Heinemann, 1984).
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-030275-1.50007-2
30. E.A. Eliseev, A.V. Semchenko, Y.M. Fomichov, M.D. Glinchuk, V.V. Sidsky, V.V. Kolos, Yu.M. Pleskachevsky, M.V. Silibin, N.V. Morozovsky, A.N. Morozovska. Surface and finite size effects impact on the phase diagrams, polar, and dielectric properties of (Sr, Bi)Ta2O9 ferroelectric nanoparticles. J. Appl. Phys. 119 (20), 204104 (2016).
https://doi.org/10.1063/1.4952707
31. A.N. Morozovska, M.D. Glinchuk, E.A. Eliseev. Phase transitions induced by confinement of ferroic nanoparticles. Phys. Rev. B 76 (1), 014102 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.014102
32. A.N. Morozovska, I.S. Golovina, S.V. Lemishko, A.A. Andriiko, S.A. Khainakov, E.A. Eliseev. Effect of Vegard strains on the extrinsic size effects in ferroelectric nanoparticles. Phys. Rev. B 90 (21), 214103 (2014).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.214103
33. A.N. Morozovska, Y.M. Fomichоv, P. Maksymovych, Y.M. Vysochanskii, E.A. Eliseev. Analytical description of domain morphology and phase diagrams of ferroelectric nanoparticles. Acta Materialia 160, 109 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.08.051
34. K.W. Wagner. Erkl¨arung der dielektrischen Nachwirkungsvorg¨ange auf Grund Maxwellscher Vorstellungen. Arch Elektrotech. 2, 371 (1914).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
