Структура, электрические и магнитные свойства наноструктурированного мультиферроика Bi1-xSmxFeO3

Цель: установление закономерностей формирования структуры, электрических, магнитных и оптических свойств наноструктурированного мультиферроика BiFeO3, легированного самарием. Задачи: 1. Оптимизация технологии синтеза и получение наноструктурированных порошков системы Bi1-xSmxFeO3 методом сжигания нитрат-органических прекурсоров и керамики на их основе методами холодного прессования и искрового плазменного спекания. 2. Определение влияния термообработки на структурные параметры, магнитные и оптические свойства наноструктурированного порошка BiFeO3. 3. Установление влияния легирования самарием на структурно-фазовые превращения и физические свойства в системе Bi1-xSmxFeO3. 4. Изучение механизмов диэлектрической релаксации и ас-проводимости в наноструктурированной керамике Bi1-xSmxFeO3 в широком температурном (25 – 500 C) и частотном (1 кГц – 10 МГц) диапазонах. Основные результаты диссертационной работы: 1. Разработан способ получения нанопорошков на основе BiFeO3 с высокой фазовой чистотой методом сжигания нитрат-органических прекурсоров. 2. На основе рентгеноструктурного анализа показано формирование в составе Bi0.9Sm0.1FeO3 наряду с ромбоэдрической R3c фазой орторомбической Pbam фазы. Установлено, что рост концентрации самария в диапазоне от 0 до 0.2 приводит к последовательным структурным фазовым переходам R3c  R3c+Pbam  Pbam+Pnma  Pnma. 3. Показано, что в процессе термообработки нанопорошка BiFeO3 снижаются намагниченность Ms и коэрцитивная сила Hc. Установлено, что термообработка нанопорошка при 500 °C в течение 1 часа снижает Ms от 6 до 3 emu/g, а при 800 °C – до 0.2 emu/g. Предполагается, что на величину Ms исходного образца влияет содержание рентгеноаморфной фазы, в частности, маггемита, который после термообработки при 600 °C переходит в немагнитный гематит. 4. На температурной зависимости теплоемкости Cp обнаружена аномалия, соответствующая антиферромагнитному фазовому переходу. Показано, что температура Нееля TN, определенная по положению максимума на зависимости Cp(T), для термообработанного образца при 700 °C смещается на 6 градусов в сторону высоких температур. 5. Спектры поглощения в УФ-видимой области демонстрируют, что ширина запрещенной зоны образцов BiFeO3, прокаленных в диапазоне температур 450 – 650 °С, увеличивается с 1.91 до 2.06 эВ с ростом размера кристаллитов. 6. Проведены исследования намагниченности исходного образца BiFeO3 и прокаленных в диапазоне температур 450 – 650 °С. Петли M – H всех образцов демонстрируют характерное для ферромагнетиков поведение. Значения намагниченности находятся в диапазоне от 1.91 до 0.24 emu/g и уменьшаются с увеличением размера кристаллитов. 7. По результатам исследования зависимостей M – H для образцов системы Bi1-xSmxFeO3 установлено, что наивысшие значения намагниченности Ms и коэрцитивной силы Hс достигаются для состава с концентрацией самария x = 0.1. 8. Проведены исследования частотно-температурных зависимостей диэлектрической проницаемости ε' и тангенса потерь tgδ составов системы Bi1-xSmxFeO3. На температурных зависимостях диэлектрической проницаемости ε′(T) обнаружены аномалии в области температур ∼ 240 °C, ∼ 300 °C и TN ∼ 350 °C. Показано, что с увеличением концентрации самария диэлектрическая проницаемость ε′ возрастает, а tgδ уменьшается. 9. Проведены исследования ac-проводимости в частотном диапазоне 1 кГц − 10 МГц в интервале температур 25 − 500 °C составов системы Bi1-xSmxFeO3. Установлено, изменение температурного коэффициента проводимости в окрестностях 300 °С и температуры Нееля TN. Показано, что в области средних и высоких частот (> 100 кГц) поведение проводимости образцов согласуется с представлениями в рамках модели коррелированных барьерных прыжков носителей заряда. Прыжковый механизм реализуется между ионами Fe2+ и Fe3+ в зернах керамики.