Fabrication, structural and AC impedance studies of layer-structured Bi4Ti3O12 ceramics

• Autorzy: Bernard H. , Lisińska-Czekaj A. , Dzik J. , Osińska K. , Czekaj D.

Warianty tytułu

PL

Wytwarzanie, struktura oraz badania impedancyjne warstwowej ceramiki Bi4Ti3O12

• Konferencja: Composites and Ceramic Materials - Technology, Application and Testing (12 ; 16-18 May 2011 ; Białowieża, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the present research bismuth titanate Bi4Ti3O12 (BiT) ceramics was synthesized by the standard solid-state reaction method from the mixture of oxides, followed by free sintering at temperature T=1000°C. BiT ceramics was studied in terms of its chemical composition (EDS), crystalline structure (X-ray), microstructure (SEM) and dielectric properties (ac technique of complex impedance spectroscopy) over a range of frequency (f=100Hz to f=1MHz) and temperature (T=200-500°C). Experimental results confirmed the phase formation. It was found that BiT ceramics crystallized in orthorhombic symmetry, best described with Fmmm space group and the following elementary cell parameters: a=5.409(6)°A, b=5.449(2)°A and c=32.816(2)°A. It was also found that BiT ceramics exhibited the plate-like microstructure and stoichiometric chemical composition. Impedance spectroscopy measurements showed contribution of three overlapping relaxation processes (three semicircles in the complex impedance diagrams were observed) ascribed to bulk, grain boundary and electrode/interface polarization phenomena. Impedance data were fitted to the corresponding equivalent circuit using the complex nonlinear least squares (CNLS) method. The ac conductivity for grains, grain boundaries and electrode processes was calculated from CNLS fit of the impedance data and thus the activation energy of ac conductivity (δAC) and relaxation (τ) was calculated for the three revealed components of the impedance spectra from the slopes of δAC and τ versus 1000/T plots (semi log scale) in the range of ΔT=200-500°C.

PL

W prezentowanej pracy ceramikę tytanianu bizmutu Bi4Ti3O12 (BiT) syntezowano metodą reakcji w fazie stałej z mieszaniny prostych tlenków w T=1000 °C. Zbadano skład chemiczny (EDS), strukturę krystaliczna (X-ray), mikrostrukturę (SEM) oraz właściwosci dielektryczne metodą spektroskopii impedancyjnej w zakresie częstotliwości od f =100Hz do f =1MHz w temperaturze T=200-500°C. Analizując obraz SEM można zauważyc, że płytkopodobne ziarna tworza liczne, rozgałęzione prety. Wyniki eksperymentalne potwierdziły wytworzenie się fazy krystalicznej BiT. Ceramika BiT krystalizuje w symetrii rombowej, opisywana jest grupa przestrzenna Fmmm, charakteryzuje się parametrami komórki: a=5.409(6)°A, b=5.449(2)°A, c=32.816(2)°A. Pomiary spektroskopii impendancyjnej wykazały udział trzech nakładających się procesów relaksacyjnych (zaobserwowano trzy półkola przedstawione w diagramach impedancji) przypisanych wnętrzu ziaren, granicy ziaren oraz zjawisk polaryzacji na granicy powierzchni elektroda/próbka. Dane impedancyjne przybliżono odpowiednimi schematami zastępczymi przy użyciu metody złożonych, nieliniowych, najmniejszych kwadratów (CNLS). Wyznaczono przewodnictwo zmiennoprądowe dla ziaren, granic ziaren i procesów elektrodowych oraz energię aktywacji przewodnictwa Eca i relaksacji Eta w zakresie temperatur ΔT=200–500°C.

Słowa kluczowe

EN

bismuth titanate; Aurivillius phase; impedance spectroscopy

PL

tytanian bizmutu; spektroskopia impedancyjna

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, iss. 4
• Strony: 1137--1148
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bernard H.

autor

Lisińska-Czekaj A.

autor

Dzik J.

autor

Osińska K.

autor

Czekaj D.

• Department of Materials Science, University of Silesia, 41-200 Sosnowiec, 2 Śnieżna Str., Poland

Bibliografia

• [1] B. Aurivillius, Mixed bismuth oxides with layer lattices. The structure type of CaNb2Bi2O9, Arkiv for Kemi 1, 54, 463-480 (1949).
• [2] B. Aurivillius, Mixed bismuth oxides with layer lattices. Structure of Bi4Ti3O12. Arkiv for Kemi 1, 58, 499-512 (1949).
• [3] B. Aurivillius, Mixed oxides with layer lattices. Structure of BaBi4Ti4O15, Arkiv for Kemi 2, 37, 519-527 (1950).
• [4] A. Lisińska-Czekaj, D. Czekaj, Synthesis of Bi5TiNbWO15 ceramics, Archives of Metallurgy and Materials 54, 4, 869-874 (2009).
• [5] A. Lisińska-Czekaj, M. Czaja, L. Kozielski, D. Czekaj, M. Piechowiak, M. Nowakowski, K. Zawiślok, Photoluminescence of nanocrystalline bismuth titanate thin films synthesized by the sol-gel method, Materials Science Forum 514-516, 128-132 (2006).
• [6] A. Lisińska-Czekaj, E. Jartych, M. Mazurek, J. Dzik, D. Czekaj, Dielektryczne i magnetyczne właściwości ceramiki multiferroicznej Bi5Ti3FeO15, Materiały Ceramiczne 63, 126-133 (2010).
• [7] R. Waser (Ed): Nanoelectronics and informatiom technology, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.
• [8] R. E. Newnham, R. W. Wolfe, J. F. Dorrian, Structural basis of the bismuth ferroelectricity in titanate family, Materials Research Bulletin 6, 1029 (1971).
• [9] A. Lisińska-Czekaj, D. Czekaj, Z. Surowiak, Synthesis and dielectric properties of SrBi3Ti2NbO12 ceramics with layer perovskite structure, Key Engineering Materials 206-213, 1429-1432 (2002).
• [10] E. Jartych, M. Mazurek, A. Lisińska-Czekaj, D. Czekaj, Hyperfine interactions in some Aurivillius Bim+1Ti3Fem-3O3m+3 compounds, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 322, 51-55 (2010).
• [11] Z. S. Macedo, C. R. Ferrari, A. C. Hernandes, Impedance spectroscopy of Bi4Ti3O12 ceramic produced by self-propagating high-temperature synthesis technique, Journal of the European Ceramic Society 24, 2567-2574 (2004).
• [12] A. Snedden, P. Lightfoot, T. Dinges, M. Islam, Defect and dopant properties of the Aurivillius phase Bi4Ti3O12, Journal of Solid State Chemistry 177, 3660-3665 (2004).
• [13] C. Paz de Araujo, J. F. Scott, G. W. Taylor (Ed): Ferroelectric thin films: synthesis and basic properties, Gordon and Breach Publishers, Amsterdam, 1996.
• [14] B. Boukamp, A nonlinear least squares fit procedure for analysis of immitance data of electrochemical systems, Solid State Ionics 20, 31-44 (1986).
• [15] P. Zoltowski, Non-traditional approach to measurement models for analysis of impedance spectra, Solid State Ionics 176, 1979-1986 (2005).
• [16] M. Guillodo, J. Fouletier, L. Dessemond, P. Del Gallo, Electrical properties of dense Me-doped bismuth vanadate (Me=Cu, Co) pO2-dependent conductivity determined by impedance spectroscopy, Journal of the European Ceramic Society 21, 2331-2344 (2001).
• [17] M. I. Morozov, L. P. Mezentseva, V. V. Gusarov, Mechanism of formation of Bi4Ti3O12, Russian Journal of General Chemistry 72, 7, 1038-1040 (2002).
• [18] M. Krzhizhanovskaya, S. Filatov, V. Gusarov, P. Paufler, R. Bubnova, M. Morozov, D. C. Meyer, Aurivillius phases in Bi4Ti3O12/BiFeO3 system: thermal behaviour and crystal structure, Zeitschrift Fur Anorganische Und Allgemeine Chemie 631, 1603-1608 (2005).
• [19] N. A. Lomanova, M. I. Morozov, V. L. Ugolkov, V. V. Gusarov, Properties of Aurivillius phases in the Bi4Ti3O12- BiFeO3 system, Inorganic Materials 42, 2, 189-195 (2006).
• [20] H. Bernard, J. Dzik, A. Lisińska-Czekaj, K. Osińska, D. Czekaj, Zastosowanie metody MOM do wytwarzania ceramiki Bi4Ti3O12, Inżynieria Materiałowa 178, 6, 1404-1408 (2010).
• [21] D. Czekaj, A. Lisińska-Czekaj, T. Orkisz, J. Orkisz, G. Smalarz, Impedance spectroscopic studies of sol-gel derived barium strontium titanate thin films, Journal of the European Ceramic Society 30, 465-470 (2010).
• [22] B. Wodecka-Duś, D. Czekaj, Fabrication and dielectric properties of donor doped BaTiO3 ceramics, Archives of Metallurgy and Materials 54, 923-933 (2009).
• [23] B. A. Boukamp, Electrochemical impedance spectroscopy in solid state ionics; Recent advances, Solid State Ionics 169, 1-4, 65-73 (2004).
• [24] B. A. Boukamp, A linear Kronig-Kramers transformation test for immitance data validation, Journal of the Electrochemical Society 142, 6, 1885-1894 (1995).
• [25] A. Lasia, Electrochemical impedance spectroscopy and its applications. In: Modern Aspects of Electrochemistry (ED): B. E.Conway, J. O. M.Bockris and R. E. White, Kluger Academic/Plenum Publishers, New York 1999.
• [26] E. Venkata Ramana, S. V. Suryanarayana, T. Bhima Sankaram, AC impedance studies on ferroelectromagnetic SrBi5-xLaxTi4FeO18 ceramics, Materials Research Bulletin 41, 1077-1088 (2006).
• [27] R. Machado, M. G. Stachiotti, R. L. Migoni, A. Huanosta Tera, First principles determination of ferroelectric instabilities in Aurivillius compounds, Physical Review B70, 214112-1-214118-8 (2004).