Феррит висмута - Bismuth ferrite

Висмут феррит (BiFeO3, также обычно называемый BFO в материаловедении) представляет собой неорганическое химическое соединение с структура перовскита и один из самых перспективных мультиферроик материалы.[1] Комнатная температура фаза BiFeO3 классифицируется как ромбоэдрический принадлежащий к космическая группа R3c.[2][3][4] это синтезированный в масса и тонкая пленка форма и ее антиферромагнитный (Заказ типа G) Температура Нееля (примерно 653 К) и сегнетоэлектрик Температура Кюри значительно выше комнатной температуры (примерно 1100К).[5][6] Сегнетоэлектрик поляризация происходит по псевдокубическому направлению () величиной 90–95 мкКл / см2.[7][8]

Базовые приготовления

Феррит висмута не встречается в природе. минеральная и были разработаны несколько способов синтеза для получения соединения.

Твердотельный синтез

В методе твердотельной реакции[9] висмут окись (Би2О3) и утюг оксид (Fe2О3) в соотношении 1: 1 крот соотношение смешаны с ступка или по шаровая мельница а затем стреляли при повышенных температурах. Приготовление чистого стехиометрический BiFeO3 сложно из-за непостоянство висмута при обжиге, что приводит к образованию стабильного вторичного Bi25FeO39 (селенит) и Bi2Fe4О9 (муллитовая) фаза. Обычно температура обжига от 800 до 880 по Цельсию используется в течение 5-60 минут с последующим быстрым охлаждением. Превышение Би2О3 также использовалась мера для компенсации летучести висмута и предотвращения образования Bi2Fe4О9 фаза.

Рост монокристалла

Феррит висмута плавится неконгруэнтно, но его можно вырастить из флюса, богатого оксидом висмута (например, смеси Bi2О3, Fe2О3 и B2О3 примерно при 750-800 Цельсия).[2] Монокристаллы высокого качества сыграли важную роль в изучении сегнетоэлектрика, антиферромагнетика и магнитоэлектрический свойства феррита висмута.

Химические маршруты

Смачивать химический синтез маршруты на основе золь-гель химия, модифицированные маршруты Печини,[10] гидротермальный[11] синтез и осаждение были использованы для получения фазово-чистого BiFeO3. Преимущество химических маршрутов - композиционный однородность прекурсоров и уменьшенные потери висмута из-за гораздо более низких необходимых температур. В золь-гель маршрутах аморфный предшественник кальцинированный при температуре 300-600 градусов Цельсия для удаления органических остатков и для ускорения кристаллизации фазы перовскита феррита висмута, в то время как недостатком является то, что полученный порошок должен быть спеченный 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). Внешний вид пламени и, следовательно, температура смеси зависят от используемого соотношения окислителя / восстановителя.[12] Иногда требуется отжиг до 600 ° C для разложения оксо-нитратов висмута, образующихся в качестве промежуточных продуктов. Поскольку в этом полупроводниковом материале содержатся катионы Fe, мессбауэровская спектроскопия является подходящим методом для обнаружения присутствия парамагнитного компонента в фазе.

Тонкие пленки

В электрический и магнитный недвижимость высокого качества эпитаксиальный тонкие пленки феррита висмута в 2003 г.[1] возродили научный интерес к ферриту висмута. Эпитаксиальные тонкие пленки имеют большое преимущество в том, что они могут быть интегрированы в электронная схема. Эпитаксиальный напряжение индуцированный однокристаллическим субстраты с разными параметры решетки чем феррит висмута может быть использован для изменения кристаллической структуры до моноклинический или же четырехугольный симметрия и изменить сегнетоэлектрик, пьезоэлектрический или магнитные свойства.[13] Импульсное лазерное напыление (PLD) - очень распространенный путь к эпитаксиальному BiFeO3 фильмы, и SrTiO3 подложки с SrRuO3 электроды обычно используются. Распыление, химическое осаждение металлов из паровой фазы (MOCVD), осаждение атомного слоя (ALD) и осаждение из химического раствора - другие методы получения эпитаксиальных тонких пленок феррита висмута. Феррит висмута помимо своих магнитных и электрических свойств также обладает фотоэлектрический свойства, которые известны как сегнетоэлектрический фотоэлектрический эффект (FPV).

Приложения

При комнатной температуре мультиферроик материал и благодаря его сегнетоэлектрическому фотоэлектрическому эффекту (FPV) феррит висмута имеет несколько применений в области магнетизм, спинтроника, фотогальваника, так далее.

Фотогальваника

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 основным препятствием является то, что очень небольшой фототок генерируется в сегнетоэлектрических материалах, таких как LiNbO3,[14] что связано с 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.[15] 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 штырь гетеропереход был сформирован из феррита висмута наночастицы вместе с двумя транспортными слоями на основе оксида.[16] Несмотря на такие усилия, эффективность преобразования энергии, полученная из феррита висмута, все еще очень низка.

Рекомендации

  1. ^ а б Wang, J .; Neaton, B .; Zheng, H .; Nagarajan, V .; Ogale, S.B .; Лю, Б .; Viehland, D .; Vaithyanathan, V .; Schlom, D.G .; Waghmare, U.V .; Спалдин, Н.А.; Рабе, К. М.; Wuttig, M .; Рамеш Р. (14 марта 2003 г.). «Эпитаксиальные мультиферроидные тонкопленочные гетероструктуры BiFeO3». Наука. 299 (5613): 1719–1722. Bibcode:2003Наука ... 299.1719W. Дои:10.1126 / science.1080615. PMID  12637741.
  2. ^ а б Кубель, Франк; Шмид, Ганс (1990). «Структура сегнетоэлектрического и сегнетоупругого монодоменного кристалла перовскита BiFeO3». Acta Crystallographica. B46 (6): 698–702. Дои: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. Дои:10.1002 / adma.200802849.
  4. ^ Варшней Д., Кумар А., Верма К. Влияние легирования центров А и В 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». Советская физика.. 7 (8): 742–744. Bibcode:1963СПХД .... 7..742К.
  6. ^ Спалдин, Никола А.; Чеонг, Санг Ук; Рамеш, Рамамурти (1 января 2010 г.). «Мультиферроики: прошлое, настоящее и будущее». Физика сегодня. 63 (10): 38. Bibcode:2010ФТ .... 63дж..38С. Дои:10.1063/1.3502547. Получено 15 февраля 2012.
  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. Дои:10.1016 / с 1369-7021 (07) 70241-9.[постоянная мертвая ссылка ]
  8. ^ Seidel, J .; Martin, L.W .; Он, Q .; Zhan, Q .; Chu, Y.-H .; Rother, A .; Hawkridge, M.E .; Максимович, П .; Ага.; Gajek, M .; Balke, N .; Калинин, С. В .; Gemming, S .; Wang, F .; Каталонский, G .; Скотт, Дж. Ф .; Спалдин, Н.А.; Orenstein, J .; Рамеш Р. (2009). «Проводимость на доменных стенках в оксидных мультиферроиках». Материалы Природы. 8 (3): 229–234. Bibcode:2009НатМа ... 8..229С. Дои:10.1038 / NMAT2373. PMID  19169247.
  9. ^ Шарма, Пурва; Варшней, Динеш; Satapathy, S .; Гупта, П. (15 января 2014 г.). «Влияние замещения Pr на структурные и электрические свойства керамики BiFeO3». Химия и физика материалов. 143 (2): 629–636. Дои:10.1016 / j.matchemphys.2013.09.045.
  10. ^ Гош, Сушмита; Дасгупта, Субрата; Сен, Амарнатх; Секхар 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. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2005.00306.x.
  11. ^ Han, 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. Дои: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. Дои:10.1021 / acs.inorgchem.8b00755.
  13. ^ Zeches, R.J .; Росселл, М. Д .; Zhang, J. X .; Hatt, A.J .; Он, Q .; Yang, C.-H .; Кумар, А .; Wang, C.H .; Melville, A .; Adamo, C .; Sheng, G .; Chu, Y.-H .; Ihlefeld, J. F .; Erni, R .; Ederer, C .; Гопалан, В .; Chen, L.Q .; Schlom, D.G .; Спалдин, Н.А.; Martin, L.W .; Рамеш, Р. (12 ноября 2009 г.). "Граница морфотропных фаз, обусловленная деформацией в BiFeO3". Наука. 326 (5955): 977–980. Bibcode:2009Научный ... 326..977Z. Дои:10.1126 / science.1177046. PMID  19965507.
  14. ^ А. М. Гласс, фон дер Линде и Т. Дж. Негран, Высоковольтный объемный фотоэлектрический эффект и фоторефрактивный процесс в LiNbO3, Прикл. Phys. Lett.doi: 10.1063 / 1.1655453
  15. ^ Yang, S.Y .; Seidel, J .; Бирнс, С.Дж .; Shafer, P .; Yang, C.H .; Росселл, доктор медицины; Ага.; Chu, Y.H .; Scott, J.F .; Ager, J.W .; Martin, L.W .; Рамеш Р. (2010). «Напряжения за пределами запрещенной зоны от сегнетоэлектрических фотоэлектрических устройств». Природа Нанотехнологии. 5 (2): 143–147. Bibcode:2010НатНа ... 5..143л. Дои:10.1038 / nnano.2009.451. PMID  20062051.
  16. ^ Chatterjee, S .; Бера, А .; Пал, А.Дж. (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. Дои:10.1021 / ам506066м. PMID  25350523.

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