Получение, микроструктура и диэлектрические спектры мультиферроиков Bi1-xPrxFeO3, x = 0. 00-0. 50 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Получение, микроструктура и диэлектрические спектры мультиферроиков Bii_xPrxFeO3, x = 0.00-0.50

С.В. Хасбулатов, А.А. Павелко, Л.А. Шилкина, В.А. Алешин,

Л.А. Резниченко Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: Проведены исследования кристаллической структуры, зеренного строения и диэлектрических свойств высокотемпературного мультиферроика Bi1.xPrxFeü3 в широком концентрационном интервале (x=0.00-0.50).

Ключевые слова: мультиферроики, феррит висмута, кристаллическая структура, зеренное строение, диэлектрические свойства.

Введение

Мультиферроики - мультифункциональные материалы, привлекающие внимание исследователей [1-3] благодаря сочетанию особых электрофизических и магнитных свойств. В представленной работе описаны результаты исследования структуры, микроструктуры и диэлектрических свойств феррита висмута, модифицированного редкоземельным элементом празеодимом (Pr).

Объекты. Методы получения и исследования образцов

Объектами исследования выступили керамики состава Bi1-xPrxFeO3, (х = 0.025-0.50, Ах = 0.025^0,10), полученные по методике, описанной в [4]. Рентгенографические исследования при комнатной температуре проводили методом порошковой дифракции с использованием дифрактометра ДРОН-3 (отфильтрованное Coka- 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.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Рентгенофазовый анализ показал, что беспримесные твердые растворы (ТР) образовались только при концентрации Рг х > 0.12, при меньших х образцы содержат небольшое количество соединений Б125ЕеО40 и Б1^е409. Анализ дифракционных отражений выявил пять концентрационных областей, отличающихся фазовым составом: в интервале 0.00<х<0.05 существует только ромбоэдрическая (Рэ) фаза, свойственная Б1Бе03, в интервале 0.05<х<0.075 расположена область сосуществования Рэ и двух ромбических фаз - Р1 типа РЬ7г03 и Р2 типа GdFe03, содержание которых не превышает (10-15) %. При 0.075<х<0.10 вновь появляется чистая Рэ фаза, а в интервале 0.10<х<0.20 опять сосуществуют три фазы Рэ, Р1 и Р2 с явным преобладанием первой. В интервале 0.20<х<0.30 Рэ фаза исчезает и вплоть до х=0.50 сосуществуют две Р1 и Р2 фазы. Подобное наблюдали при исследованиях ТР Б11-хЬа.^е03 [5] и В11-хРг^е03 [6-8]. О появлении с ростом х Рэ фазы внутри области сосуществования фаз Рэ, Р1 И Р2 при комнатной температуре до сих пор не сообщалось.

Рис. 1. - Фрагменты микроструктуры керамик Б11-хРг^е03 (0.00< х < 0, 0,20)., 1. х=0,05; 2. х=0,10; 3. х=0,15; 4. х=0,20. Масштабный отрезок - 10 мкм.

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 Рг наблюдается существенное уменьшение количества серой фазы и размеров всех трех компонентов микроструктуры.

е7е*10"3 о е'/е *10-5 0 е'/е *10-4

9 г 0 3 г 0 3 г 0

Pr 0,025 /

Pr 0,175

300

600

T,K 0 L 900 300

600

T,K 0L 900 300

Pr 0,50

T,K

600

900

Рис.2 - Зависимости s/s0 (T) образцов керамики Bi1-xPrxFeO3 0,025<х<0,50 от температуры в интервале частот (25^1,2* 106)Гц, (стрелкой указан рост частоты, f)

На рис. 2 показаны термочастотные зависимости s/s0 Bi1-x Pr xFeO3 (x 0.00< х < 0,50, Ах = 0.05^0,10). Рассматриваемые зависимости испытывают аномалии в области температур (300-500)К, имеющие вид сильно дисперсионных максимумов, релаксационная природа которых, вероятно, связана с явлением Максвелл-Вагнеровской релаксации за счет накопления свободных зарядов на поверхностях раздела компонентов [9,10].

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 (базовая и проектная части Госзадания).

Литература

1. Jalaja M.A., Dutta S. // Advanced Materials Letters. 2015. V. 6. N 7. pp. 568-584.

2

2

6

1

1

3

2. Костишин В.Г., Крупа Н.Н., Невдача В.В. и др. // Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL:

ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_74_Kostishyn.pdf_1851.pdf

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

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

5. Карпинский Д.В., Троянчук И.О., Мантыцкая О.С. и др. // ФТТ. 2014. Т. 56. №4. С. 673.

6. Карпинский Д.В., Троянчук И.О., Сиколенко В.В. и др. // ФТТ. 2014. Т. 56. №11. С. 2191.

7. Zhang J., Wu Yu-Jie, Chen Xiao-Jia // J. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 382. pp.1-6.

8. Karpinsky D.V., Troyanchuk I.O., Mantytskaya O.S. et al. // Solid State Communications. 2011. V. 151. pp. 1686-1689.

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

10. Lin P., Cui S., Zeng X. et al. // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 600. pp. 118-124.

References

1. Jalaja M.A., Dutta S. Advanced Materials Letters. 2015. V. 6. N 7. pp. 568584.

2. Kostishin V.G., Krupa N.N., Nevdacha V.V. et al. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2013. V. 26. №3. P. 70. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_74_Kostishyn.pdf_1851.pdf

3. Shabel'skaja N.P., Ul'janov A.K., Talanov M.V. et al. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2014. №1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2297

4. Razumovskaja O.N., Verbenko I.A., Andrjushin K.P. et al. Fundamental'nye problemy radiojelektronnogo priborostroenija. 2009. V. 9. №1. pp. 126-131.

5. Karpinskij D.V., Trojanchuk I.O., Mantyckaja O.S. et al. Fizika Tverdogo Tela. 2014. V. 56. №4. P. 673.

6. Karpinsky D.V., Troyanchuk I.O., Sikolenko V.V. et al. Fizika Tverdogo Tela. 2014. V. 56. №11. P. 2191.

7. Zhang J., Wu Yu-Jie, Chen Xiao-Jia J. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 382. pp.1-6.

8. Karpinsky D.V., Troyanchuk I.O., Mantytskaya O.S. et al. Solid State Communications. 2011. V. 151. pp. 1686-1689.

9. Khasbulatov S.V., Pavelko A.A., Gadzhiev G.G. et al. Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2014. V. 17. №20. pp. 142-146.

10. Lin P., Cui S., Zeng X. et al. Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 600. pp. 118-124.