Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Феррит висмута (BiFeO 3 , также обычно называемый BFO в материаловедении) представляет собой неорганическое химическое соединение со структурой перовскита и один из самых многообещающих мультиферроидных материалов. [1] При комнатной температуре фаза BiFeO 3 классифицируется как ромбоэдрическая, принадлежащая к пространственной группе R3c. [2] [3] [4] Он синтезируется в объемной и тонкой пленочной форме, а также его антиферромагнитный (G-тип упорядочения) температура Нееля(приблизительно 653 К) и температура Кюри сегнетоэлектрика значительно выше комнатной температуры (приблизительно 1100 К). [5] [6] Сегнетоэлектрическая поляризация происходит вдоль псевдокубического направления ( ) с величиной 90–95 мкКл / см 2 . [7] [8]

Подготовка образца [ править ]

Феррит висмута не является природным минералом, и для его получения было разработано несколько способов синтеза.

Твердотельный синтез [ править ]

В методе твердофазной реакции [9] оксид висмута (Bi 2 O 3 ) и оксид железа (Fe 2 O 3 ) в мольном соотношении 1: 1 смешивают в ступке или шаровой мельнице, а затем обжигают при повышенных температурах. Получение чистого стехиометрического BiFeO 3 сложно из-за летучести висмута во время обжига, что приводит к образованию стабильных вторичных Bi 25 FeO 39 (селенит) и Bi 2 Fe 4 O 9.(муллитовая) фаза. Обычно температура обжига от 800 до 880 по Цельсию используется в течение 5-60 минут с последующим быстрым охлаждением. Избыток Bi 2 O 3 также использовался в качестве меры для компенсации летучести висмута и предотвращения образования фазы Bi 2 Fe 4 O 9 .

Рост монокристалла [ править ]

Феррит висмута плавится неконгруэнтно, но его можно вырастить из флюса, богатого оксидом висмута (например, смеси 4: 1: 1 Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 и B 2 O 3 при температуре приблизительно 750-800 Цельсия). [2] Высококачественные монокристаллы были важны для изучения сегнетоэлектрических, антиферромагнитных и магнитоэлектрических свойств феррита висмута.

Химические маршруты [ править ]

Методы влажного химического синтеза, основанные на золь-гель химии , модифицированных методах Печини, [10] гидротермальном [11] синтезе и осаждении, были использованы для получения фазово-чистого BiFeO 3 . Преимущество химических способов заключается в однородности состава предшественников и уменьшении потерь висмута из-за необходимости гораздо более низких температур. В золь-гель методах аморфный предшественник прокаливают при 300-600 ° C для удаления органических остатков и для ускорения кристаллизации фазы перовскита феррита висмута, в то время как недостаток состоит в том, что полученный порошок необходимо спекать.при высокой температуре сделать плотный поликристалл .

Реакция горения раствора - это недорогой метод, используемый для синтеза пористого BiFeO 3 . В этом методе восстанавливающий агент (например, глицин, лимонная кислота, мочевина и т. Д.) И окислитель (нитрат-ионы, азотная кислота и т. Д.) Используются для создания реакции восстановления-окисления (RedOx). Появление пламени и, следовательно, температура смеси зависит от используемого соотношения окислитель / восстановитель. [12] Иногда требуется отжиг до 600 ° C для разложения оксо-нитратов висмута, образующихся в качестве промежуточных продуктов. Поскольку содержание катионов Fe в этом полупроводниковом материале, мессбауэровская спектроскопия является подходящим методом для обнаружения присутствия парамагнитного компонента в фазе.

Тонкие пленки [ править ]

В электрических и магнитных свойствах высококачественных эпитаксиальных тонких пленок феррита висмута , сообщили в 2003 году [1] возродили научный интерес для феррита висмута. Эпитаксиальные тонкие пленки имеют большое преимущество в том, что их свойства можно регулировать путем обработки [13] и что они могут быть интегрированы в электронные схемы . Эпитаксиальная деформация, вызванная однокристаллическими подложками с параметрами решетки, отличными от феррита висмута, может использоваться для модификации кристаллической структуры до моноклинной или тетрагональной симметрии.и изменить сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические или магнитные свойства. [14] импульсное лазерное осаждение (PLD) является очень распространенным маршрутом к эпитаксиальным BiFeO 3 пленкам и SrTiO 3 подложки с SrRuO 3 электродами , как правило , используется. Распыление , молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), [15] металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD), осаждение атомных слоев (ALD) и осаждение из химического раствора - это другие методы получения эпитаксиальных тонких пленок феррита висмута. Феррит висмута помимо своих магнитных и электрических свойств также обладает фотоэлектрическими свойствами. свойства, которые известны как сегнетоэлектрический фотоэлектрический эффект (FPV).

Приложения [ править ]

Феррит висмута является мультиферроиком при комнатной температуре и благодаря своему сегнетоэлектрическому фотоэлектрическому эффекту (FPV) имеет несколько применений в области магнетизма , спинтроники , фотовольтаики и т. Д.

Фотогальваника [ править ]

В эффекте FPV фототок генерируется в сегнетоэлектрическом материале при освещении, и его направление зависит от сегнетоэлектрической поляризации этого материала. Эффект FPV имеет многообещающий потенциал в качестве альтернативы обычным фотоэлектрическим устройствам. Но главное препятствие в том , что очень мало фототок генерируется в сегнетоэлектрических материалов , как LiNbO 3 , [16] , которое происходит из - за его большой шириной запрещенной зоны и низкой проводимостью. В этом направлении феррит висмута показал большой потенциал благодаря большому эффекту фототока и напряжению выше запрещенной зоны [17]наблюдается в этом материале при освещении. В большинстве работ с использованием феррита висмута в качестве фотоэлектрического материала сообщалось о его тонкопленочной форме, но в нескольких отчетах исследователи сформировали двухслойную структуру с другими материалами, такими как полимеры, графен и другие полупроводники. В отчете был сформирован штыревой гетеропереход с наночастицами феррита висмута и двумя слоями, транспортирующими носители на основе оксида. [18] Несмотря на такие усилия, эффективность преобразования энергии, полученная из феррита висмута, все еще очень низка.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Wang, J .; Neaton, B .; Zheng, H .; Nagarajan, V .; Огале, SB; Лю, Б .; Viehland, D .; Vaithyanathan, V .; Schlom, DG; Вагмаре, УФ; Спалдин Н.А .; Rabe, KM ; Wuttig, M .; Рамеш Р. (14 марта 2003 г.). «Эпитаксиальные мультиферроидные тонкопленочные гетероструктуры BiFeO3». Наука . 299 (5613): 1719–1722. Bibcode : 2003Sci ... 299.1719W . DOI : 10.1126 / science.1080615 . PMID  12637741 .
  2. ^ a b Кубель, Фрэнк; Шмид, Ганс (1990). «Структура сегнетоэлектрического и сегнетоупругого монодоменного кристалла перовскита BiFeO3» . Acta Crystallographica . B46 (6): 698–702. DOI : 10.1107 / S0108768190006887 .
  3. ^ Каталонский, Густау; Скотт, Джеймс Ф. (26 июня 2009 г.). "Физика и применение феррита висмута" (PDF) . Современные материалы . 21 (24): 2463–2485. DOI : 10.1002 / adma.200802849 .
  4. ^ Д. Варшней, А. Кумар, К. Верма, Влияние легирования сайтов A и B на структурные, термические и диэлектрические свойства керамики BiFeO3, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106
  5. ^ Киселев, С.В. Озеров, Р.П .; Жданов Г.С. (февраль 1963 г.). «Обнаружение магнитного порядка в сегнетоэлектрике BiFeO3 методом нейтронографии». Доклады советской физики . 7 (8): 742–744. Bibcode : 1963SPhD .... 7..742K .
  6. ^ Спалдин, Никола А .; Чеонг, Санг Ук; Рамеш, Рамамурти (1 января 2010 г.). «Мультиферроики: прошлое, настоящее и будущее» . Физика сегодня . 63 (10): 38. Bibcode : 2010PhT .... 63j..38S . DOI : 10.1063 / 1.3502547 . Проверено 15 февраля 2012 года .
  7. ^ Чу, Ин-Хао; Martin, Lane W .; Holcomb, Mikel B .; Рамеш, Рамамурти (2007). «Управление магнетизмом с помощью мультиферроиков» (PDF) . Материалы сегодня . 10 (10): 16–23. DOI : 10.1016 / s1369-7021 (07) 70241-9 . [ постоянная мертвая ссылка ]
  8. ^ Seidel, J .; Мартин, LW; Он, Q .; Zhan, Q .; Chu, Y.-H .; Rother, A .; Хокридж, Мэн; Максимович, П .; Ага.; Gajek, M .; Balke, N .; Калинин С.В.; Gemming, S .; Wang, F .; Каталонский, G .; Скотт, JF; Спалдин Н.А .; Orenstein, J .; Рамеш, Р. (2009). «Проводимость на доменных стенках в оксидных мультиферроиках». Материалы природы . 8 (3): 229–234. Bibcode : 2009NatMa ... 8..229S . DOI : 10.1038 / NMAT2373 . PMID 19169247 . 
  9. ^ Шарма, Пурва; Варшней, Динеш; Satapathy, S .; Гупта, ПК (15 января 2014 г.). «Влияние замещения Pr на структурные и электрические свойства керамики BiFeO3». Химия и физика материалов . 143 (2): 629–636. DOI : 10.1016 / j.matchemphys.2013.09.045 .
  10. ^ Гош, Сушмита; Дасгупта, Субрата; Сен, Амарнатх; Сехар Маити, Химадри (1 мая 2005 г.) [14 апреля 2005 г.]. «Низкотемпературный синтез наноразмерного феррита висмута мягким химическим путем». Журнал Американского керамического общества . 88 (5): 1349–1352. DOI : 10.1111 / j.1551-2916.2005.00306.x .
  11. ^ Хан, J.-T .; Huang, Y.-H .; Wu, X.-J .; Wu, C.-L .; Wei, W .; Peng, B .; Huang, W .; Гуденаф, Дж. Б. (18 августа 2006 г.) [18 июля 2006 г.]. «Настраиваемый синтез ферритов висмута различной морфологии». Современные материалы . 18 (16): 2145–2148. DOI : 10.1002 / adma.200600072 .
  12. ↑ Ортис-Киньонес, Хосе-Луис; Пал, Умапада; Вильянуэва, Мартин Салазар (10 мая 2018 г.). «Влияние соотношения окислитель / восстановитель на фазовую чистоту, кристалличность и магнитное поведение субмикрочастиц BiFeO, выращенных в растворе сгорания». Неорганическая химия . 57 (10): 6152–6160. DOI : 10.1021 / acs.inorgchem.8b00755 .
  13. ^ Мэй, Антонио Б .; Сареми, Сахар; Мяо, Луди; Бароне, Мэтью; Тан, Юнцзянь; Зеледон, Кир; Шуберт, Юрген; Ральф, Дэниел С .; Martin, Lane W .; Шлом, Даррелл Г. (01.11.2019). «Сегнетоэлектрические свойства облученных ионами слоев феррита висмута, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы APL . 7 (11): 111101. DOI : 10,1063 / 1,5125809 .
  14. ^ Zeches, RJ; Росселл, доктор медицины; Чжан, JX; Хатт, Эй Джей; Он, Q .; Yang, C.-H .; Кумар, А .; Wang, CH; Melville, A .; Adamo, C .; Sheng, G .; Chu, Y.-H .; Ihlefeld, JF; Erni, R .; Ederer, C .; Гопалан, В .; Чен, LQ; Schlom, DG; Спалдин Н.А .; Мартин, LW; Рамеш Р. (12 ноября 2009 г.). «Деформационно-зависимая морфотропная фазовая граница в BiFeO3» . Наука . 326 (5955): 977–980. Bibcode : 2009Sci ... 326..977Z . DOI : 10.1126 / science.1177046 . PMID 19965507 . 
  15. ^ Мэй, Антонио Б .; Тан, Юнцзянь; Шуберт, Юрген; Йена, Дебдип; Син, Хуэйли (Грейс); Ральф, Дэниел С .; Шлом, Даррелл Г. (01.07.2019). «Самосборка и свойства доменных границ в слоях BiFeO3, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы APL . 7 (7): 071101. DOI : 10,1063 / 1,5103244 .
  16. ^ AM Glass, Von der Linde и TJ Negran, Высоковольтный объемный фотоэлектрический эффект и фоторефрактивный процесс в LiNbO3, Appl. Phys. Lett.doi: 10.1063 / 1.1655453
  17. ^ Ян, SY; Seidel, J .; Бирнс, SJ; Shafer, P .; Ян, СН; Росселл, доктор медицины; Ага.; Чу, YH; Скотт, JF; Агер, JW; Мартин, LW; Рамеш Р. (2010). «Напряжения за пределами запрещенной зоны от сегнетоэлектрических фотоэлектрических устройств» . Природа Нанотехнологии . 5 (2): 143–147. Bibcode : 2010NatNa ... 5..143Y . DOI : 10.1038 / nnano.2009.451 . PMID 20062051 . 
  18. ^ Chatterjee, S .; Бера, А .; Пал, AJ (2014). «p – i – n-гетеропереходы с наночастицами перовскита BiFeO3 и оксидами p- и n-типа: фотоэлектрические свойства» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (22): 20479–20486. DOI : 10.1021 / am506066m . PMID 25350523 . 

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106