Procesiranje, Svojstva i Mogućnost Primene Multiferoičnih Materijala na Bazi Bizmut-Ferita

• Main Author: Ilić, Nikola I
• Format: Dissertation
• Language: Serbian
• Published: ProQuest Dissertations & Theses 01-01-2018
• Subjects: Analytical chemistry; Condensed matter physics; Dielectric properties; Fourier transforms; Grain boundaries; Materials science; Mathematics; Nitrates; Optics; Spectrum analysis; Thin films
• ISBN: 9798383124857

Bizmut-ferit (BiFeO3) ispoljava jedinstvena svojstva koja pre svega doprinose teorijskom shvatanju električnih i magnetnih uređenja i njihove interakcije u kristalnim oksidnim materijalima, ali bi uz prevazilažanje trenutno postojećih prepreka materijala na bazi bizmut-ferita mogli naći primenu u mnogim oblastima. Postoji samo nekoliko jednofaznih materijala kojima se može pripisati više feroičnih svojstava (feroelektrična, feroelastična, (anti)feromagnetna) na temperaturama višim od 50 K. Zbog toga ne čudi da je baš bizmut-ferit, koji i na temperaturama iznad sobne može ispoljiti feroelektričnost, feroelastičnost, pa čak i slab feromagnetizam (iako je po magnetnoj strukturi antiferomagnetan), predmet istraživanja brojnih naučnih radova iako i dalje ne postoje uređaji koji u sastavu sadrže bizmut-ferit.Sinteza autosagorevanja i niskotemperaturna hemijska sinteza se odigravaju u vodenim rastvorima nitrata odgovarajućih metala u koje su dodati rastvori različitih organskih jedinjenja koje sprečavaju taloženje hidroksida, a kod autosagorevanja reakcijom sa nitratnim jonima oslobađaju energiju dovoljnu da dođe do kristalizacije bizmut-ferita. Tanki filmovi su dobijeni nanošenjem rastvora nitrata u organskim rastvaračima na rotirajuće supstrate. Sastav dobijenih prahova je praćen metodama diferencijalno-termijske analize, infracrvene spektroskopije i rendgenske difrakcione analize. Mikrostruktura prahova je analizirana mikroskopskim metodama, dok je njihova uniformnost praćena analizom raspodele veličina čestica, da bi zatim korišćenjem dilatometrijskog merenja ali uz praćenje faznog sastava rendgenskom difrakcijom i mikrostrukture skenirajućim elektronskim mikroskopom bio odabran optimalan postupak sinterovanja kako bi se dobili uzorci keramike što veće gustine i bez prisustva drugih faza. Od nekoliko ispitivanih organskih jedinjenja za sintezu fazno čistih prahova i guste keramike najbolje su se pokazali glicin, urea i oksalildihidrazid za sintezu autosagorevanjem, a oksalna i vinska kiselina za niskotemperaturnu sintezu.Dielektrična i feroelektrična merenja su pokazala visoku električnu provodljivost nedopiranih uzoraka koja onemogućava ispoljavanje feroelektričnih svojstava, uz prisutne oblasti različite provodljivosti i veoma velike vrednosti permitivnosti i dielektričnih gubitaka usled koncentrisanja naelektrisanja na mikrostrukturnim međupovršinama. Magnetna karakterizacija je pokazala tipično antiferomagnetno ponašanje. Dopiranje je doprinelo značajnoj promeni svih pomenutih svojstava. Dopirajući joni su uveli strukturna naprezanja koja su pri određenom procentu dopanta dovela do delimične transformacije romboedarske strukture u ortorombičnu. Ova naprezanja su promenila magnetnu strukturu i izazivala slab feromagnetizam dopiranih uzoraka. Dopirajući joni su uz to pokazali težnju da se tokom sinterovanja koncentrišu na površini zrna sprečavajući formiranje kiseoničnih vakansija i usporavajući rast zrna, i na ovaj način su doprineli stabilizaciji dielektričnih svojstava u frekventnom i temperaturnom domenu i povećanju električne otpornosti u dovoljnoj meri da je moguće uočiti feroelektrični histerezis, mada se i dalje ne ispoljava prava feroelektričnost. Impedans spektroskopija i strujno-naponska karakterizacija su pokazale da dopiranje jonima Y3+, Ca2+ i Zr4+ utiče na promenu mehanizma provođenja i smanjenje koncentracije unutrašnjih nosilaca naelektrisanja. Dopanti u A-položaju (menjaju Bi3+ jone) naročito utiču na povećanje električne otpornosti granica zrna, dok dopanti u Bpoložaju (menjaju Fe3+ jone) mogu uticati na ravnomerno povećanje otpornosti zrna i granica zrna ukoliko su naelektrisanja većeg od +3. U nedopiranom uzorku i uzorcima dopiranim u B-položaju je jonska provodljivost dominantan proces provođenja, mada je dopiranje Zr4+jonima doprinelo smanjenju doprinosa jonske provodljivosti. Kod A- dopiranih uzoraka je ova promena mehanizma otišla dalje, zahvaljujući dovoljno velikom smanjenju koncentracije vakansija, elektronske šupljine, odnosno polaroni postaju dominanti nosioci naelektrisanja.Sinteza dvodimenzionalnih struktura nije u dovoljnoj meri uticala na smanjen broj defekata da bi se mogla ispoljiti feroelektrična svojstva, tako da je i kod tankih filmova feroelektrični histerezis bio prisutan samo u uzorku dopiranom sa 5 molskih % Y 3+.