Processing and structural, microstructural and ferroelectric characterizations of the magnetoelectric BiFeO3-PbTiO3 compound obtained by Pechini method

Freitas, V. F.; Dias, G. S.; Rosso, J. M.; Bonadio, T. G. M.; Miyahara, R. Y.; Tominaga, T. T.; Cótica, L. F.; Santos, I. A.

doi:10.1590/0366-69132016623621946

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Articles • Cerâmica 62 (362) • Apr-Jun 2016 • https://doi.org/10.1590/0366-69132016623621946 copy

Processing and structural, microstructural and ferroelectric characterizations of the magnetoelectric BiFeO₃-PbTiO₃ compound obtained by Pechini method

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Abstract

In this work an alternative synthesis route, the modified Pechini method, was used to obtain nanoparticles of the BiFeO₃-PbTiO₃ (BFPT) compound. The scanning electron microscopy images revealed particle sizes below 120 nm. Structural analysis showed the structural organization of the compound (structure formation with tetragonal symmetry) as function of synthesis temperature. Calculations indicate spontaneous polarization intensity achieved in the BFPT compound. The analysis of electron density obtained by the maximum entropy method indicated the configuration of the chemical bonds present in the compound.

Keywords:
piezoelectric; ferroelectric; magnetoelectric; BiFeO₃-PbTiO₃

Authorship

V. F. Freitas

Grupo de Física Aplicada em Materiais, Departamento de Física, Universidade Estadual do Centro-Oeste, Rua Simeão Camargo Varela de Sá, 03, Guarapuava, PR 85040-080Universidade Estadual do Centro-OesteBrazilGuarapuava, PR, BrazilGrupo de Física Aplicada em Materiais, Departamento de Física, Universidade Estadual do Centro-Oeste, Rua Simeão Camargo Varela de Sá, 03, Guarapuava, PR 85040-080

Grupo de Desenvolvimento de Dispositivos Multifuncionais, Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5970, Maringá, PR 87020-900Universidade Estadual de MaringáBrazilMaringá, PR, BrazilGrupo de Desenvolvimento de Dispositivos Multifuncionais, Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5970, Maringá, PR 87020-900

G. S. Dias

J. M. Rosso

T. G. M. Bonadio

R. Y. Miyahara

T. T. Tominaga

L. F. Cótica

I. A. Santos

SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Figures | Tables

Figures (5)
Tables (1)

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Figura 1:
Difratograma de raios X para o composto (0,6)BiFeO₃- (0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini modificado. (i) Imagem de microscopia eletrônica de varredura do composto BFPT obtido pelo método de Pechini modificado. (ii) Histograma de tamanhos de partículas.

Figure 1:
X-ray diffraction pattern for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by the modified Pechini method. (i) Scanning electron microscopy image of the BFPT compound obtained by modified Pechini method. (ii) Histogram of particle sizes.

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Figura 2:
Análise térmica diferencial do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ obtido pelo método de Pechini modificado em 400 ºC/3 h. (i) Destaque no quadro inserido para a transição de fusão no composto.

Figure 2:
Differential thermal analysis of the (0.6)BiFeO₃-(0.4) PbTiO₃ compound obtained by modified Pechini method at 400 °C/3 h. (i) Inset: highlighted melting transition.

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Figura 3:
Difratogramas de raios X obtidos do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ calcinados a diferentes temperaturas.

Figure 3:
XRD patterns for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound calcined at different temperatures.

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Figura 4:
Imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini calcinado a 800 ºC/10 h (a) e 1000 ºC/10 h (b).

Figure 4:
SEM images of the (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by modified Pechini method calcined at 800 °C/10 h (a) and 1000 °C/10 h (b).

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Figura 5:
Mapa tridimensional da densidade eletrônica obtida pelo método da máxima entropia para o composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini modificado a 400 ºC/3 h. Os átomos do sítio A, Bi e Pb, são representados em amarelo, os átomos do sítio B, Fe e Ti, em vermelho e em azul os átomos de oxigênio.

Figure 5:
Three-dimensional electron density map obtained by the maximum entropy method for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by the modified Pechini method at 400 °C/3 h. The A site atoms, Bi and Pb, are represented in yellow, B site atoms, Fe and Ti, in red and oxygen atoms in blue.

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Tabela I
Parâmetros de polarização ferroelétrica do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo MPM: fator de tetragonalidade (σ), carga efetiva (q_eff ), posição dos cátions (d), momento de dipolo (μ), volume da cela unitária (V_C ) e polarização espontânea (P_sp ).

), distância de dipolo (

), vetor de polarização (

) e ânions (

Table I
Parameters of ferroelectric polarization of the (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by MPM: tetragonality factor (σ) effective charge (q_eff ), cation (d), dipole moment (μ), unit cell volume (V_C ) and spontaneous polarization (P_sp ).

) and anion (

), dipole distance (

) positions, polarization vector (

Figura 1: Difratograma de raios X para o composto (0,6)BiFeO₃- (0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini modificado. (i) Imagem de microscopia eletrônica de varredura do composto BFPT obtido pelo método de Pechini modificado. (ii) Histograma de tamanhos de partículas.
Figure 1: X-ray diffraction pattern for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by the modified Pechini method. (i) Scanning electron microscopy image of the BFPT compound obtained by modified Pechini method. (ii) Histogram of particle sizes.

Figura 2: Análise térmica diferencial do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ obtido pelo método de Pechini modificado em 400 ºC/3 h. (i) Destaque no quadro inserido para a transição de fusão no composto.
Figure 2: Differential thermal analysis of the (0.6)BiFeO₃-(0.4) PbTiO₃ compound obtained by modified Pechini method at 400 °C/3 h. (i) Inset: highlighted melting transition.

Figura 3: Difratogramas de raios X obtidos do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ calcinados a diferentes temperaturas.
Figure 3: XRD patterns for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound calcined at different temperatures.

Figura 4: Imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini calcinado a 800 ºC/10 h (a) e 1000 ºC/10 h (b).
Figure 4: SEM images of the (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by modified Pechini method calcined at 800 °C/10 h (a) and 1000 °C/10 h (b).

Figura 5: Mapa tridimensional da densidade eletrônica obtida pelo método da máxima entropia para o composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo método de Pechini modificado a 400 ºC/3 h. Os átomos do sítio A, Bi e Pb, são representados em amarelo, os átomos do sítio B, Fe e Ti, em vermelho e em azul os átomos de oxigênio.
Figure 5: Three-dimensional electron density map obtained by the maximum entropy method for (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by the modified Pechini method at 400 °C/3 h. The A site atoms, Bi and Pb, are represented in yellow, B site atoms, Fe and Ti, in red and oxygen atoms in blue.

Tabela I Parâmetros de polarização ferroelétrica do composto (0,6)BiFeO₃-(0,4)PbTiO₃ sintetizado pelo MPM: fator de tetragonalidade (σ), carga efetiva (q_eff ), posição dos cátions (d), momento de dipolo (μ), volume da cela unitária (V_C ) e polarização espontânea (P_sp ).), distância de dipolo (), vetor de polarização () e ânions (
Table I Parameters of ferroelectric polarization of the (0.6)BiFeO₃-(0.4)PbTiO₃ compound synthesized by MPM: tetragonality factor (σ) effective charge (q_eff ), cation (d), dipole moment (μ), unit cell volume (V_C ) and spontaneous polarization (P_sp ).) and anion (), dipole distance () positions, polarization vector (

Tabela I

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