Influence of Bismuth Content on Complex Immittance Characteristics of Pressureless Sintered BiNbO₄ Ceramics

• Autorzy: Czekaj D. , Lisińska-Czekaj A. , Adamczyk M.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amm-2014-0036

Warianty tytułu

PL

Wpływ zawartości bizmutu na zespolone charakterystyki immitancyjne spiekanej swobodnie ceramiki BiNbO₄

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Goal of the present research was to study immittance properties of BiNbO₄ ceramics fabricated by the solid state reaction route followed by pressureless sintering. Four sets of samples were examined, namely the one fabricated from the stoichiometric mixture of oxides, viz. Bi₂ O₃ and Nb₂ O₅ as well as the ones with an excess of 3%, 5% and 10% by mole of Bi₂ O₃. The immittance properties were studied by impedance spectroscopy. Measurements were carried out within the frequency range ν =20Hz-1MHz and temperature range T =RT-550°C. The Kramers-Kronig data validation test was employed in the impedance data analysis. It was found that complex impedance first increases with an increase in Bi₂ O₃ content and decreases for 10mol% excess of Bi₂ O₃. Two relaxation phenomena manifested themselves at elevated temperature (T>267°C) within the measuring frequency range. The conductivity relaxation phenomenon (M″(ν) spectra) took place at higher frequency than the phenomenon with dominant resistive component (Z″(ν) spectra).

PL

Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości immitancyjnych ceramiki BiNbO₄ wytworzonej metodą reakcji w fazie stałej i spiekania swobodnego. Badaniom poddano cztery zestawy próbek wytworzonych ze stechiometrycznej mieszaniny tlenków Bi₂ O₃ i Nb2O5 oraz mieszaniny zawierajacej nadmiar Bi₂ O₃ w ilości 3, 5 i 10% molowych. Badania przeprowadzono z zastosowaniem spektroskopii impedancyjnej. Pomiary dokonano w zakresie częstotliwości ν =20Hz-1MHz i temperatury T =RT-550°C. Do analizy zgodności danych pomiarowych zastosowano test Kramersa-Kroniga. Stwierdzono, że ze wzrostem zawartości Bi₂ O₃ w mieszaninie do 5% molowych wzrasta impedancja próbek, która dla 10% molowych maleje poniżej wartości zarejestrowanej dla BiNbO₄ bez nadmiaru Bi₂ O₃. Zaobserwowano obecność dwóch procesów relaksacyjnych w temperaturze T>267°C. Stwierdzono, że zjawisko relaksacji przewodnictwa (widma M″(ν)) zachodzi w wyższej częstotliwości niż zjawisko z dominującą składową rezystywną (widma Z″(ν)).

Słowa kluczowe

EN

BiNbO4 ceramics; impedance spectroscopy; impedance and modulus analysis

PL

ceramika BiNbO4; spektrometria impedancyjna; pomiar impedancji

• 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: 2014
• Tom: Vol. 59, iss. 1
• Strony: 225--229
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Czekaj D.

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

autor

Lisińska-Czekaj A.

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

autor

Adamczyk M.

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

Bibliografia

• [1] H. Kagata, T. Inoue, J. Kato, I. Kameyama, Low-fire bismuth-based dielectric ceramics for microwave use, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 3152 (1992).
• [2] W. Wersing, Microwave ceramics for resonators and filters, Current Opinion in Solid State and Materials Science 1, 5, 715-731 (1996).
• [3] Ch.-L. Huang, M.-H. Weng, G.-M. Shan, Effect of V2O5 and Cu Oadditives on sintering behavior and microwave di electric properties of BiNbO4 ceramics, Journal Of Materials Science 35, 5443-5447 (2000).
• [4] S. K. Ko, K. Y. Kim, B. H. Kim, Characteristics of tapped microstrip bandpass filter in BiNb O4 ceramics, Journal of Materials Science: Materials in Electronics 9, 351-356 (1998).
• [5] N. Wang, M.-Y. Zhao, Z.-W. Yin, W. Li, Effects of complex substitution of La and Nd for Bi on the microwave dielectric properties of BiNbO4 ceramics, Materials Research Bulletin 39, 439 (2004).
• [6] E. S. Kim, W. Choi, Effect of phase transition on the microwave dielectric properties of BiNbO4, Journal of the European Ceramic Society 26, 1761-1766 (2006).
• [7] M. Płońska, D. Czekaj, Studies of temperature and fabrication methods influence on structure and microstructure of BiNbO4 microwave electroceramics, Archives of Metallurgy and Materials 56, 4, 1169-1175 (2011).
• [8] D. Czekaj, A. Lisińska-Czekaj, M. Adamczyk, L. Kozielski, Low temperature fabrication and study of bismuth-based microwave ceramics of ABO4 - type structure, Proceedings of 20th Annual International Conference on Composites or Nano Engineering ICCE-20, Beijing, China, 2012.
• [9] A. Lisińska-Czekaj, D. Czekaj, Fabrication and study of BiNbO4 ceramics, Key Engineering Materials 512-515, 1212-1217 (2012).
• [10] E. Barsukov, J. Ross Macdonald (Red)., Impedance spectroscopy, theory, experiment, and applications, John Willey & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, (2005).
• [11] W. Bogusz, F. Krok, Elektrolity stałe. Właściwości elektryczneisposoby ich pomiaru, WNT, Warszawa (1995); K.Nitsch, Zastosowanie spektroskopii impedancyjnejwbadaniach materiałów elektronicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław (1999).
• [12] A. R. West, D. C. Sinclair, N. Hirose, Characterization of electrical materials, especially ferroelectrics, by impedance spectroscopy, Journal of Electroceramics, 1, 1, 65-71 (1997).
• [13] E. J. Abram, D. C. Sinclair, A. R. West, A Strategy for Analysis and Modelling of Impedance Spectroscopy Data of Electroceramics: Doped Lanthanum Gallate, Journal of Electroceramics 10, 165-177 (2003).
• [14] A. Lisińska-Czekaj, Wielofunkcyjne materiały na osnowie tytanian bizmutu, Uniwersytet Slaski, Wydawnictwo Gnome, Katowice, 2012.
• [15] D. Czekaj, Fabrication and study of BST-based functional materials, Uniwersytet Slaski,Wydawnictwo Gnome, Katowice, 2010.
• [16] D. Czekaj, A. Lisińska-Czekaj, K. Osińska, Effect of Bi2O3 excess on morphology and structure of BiNbO4 ceramics, submitted to Archives of Metallurgy and Materials, 2013.
• [17] B. A. Boukamp, Electrochemical impedance spectroscopy in solid state ionics: recent advances, Solid State Ionics 169, 65-73 (2004).
• [18] B. A. Boukamp, Alinear Kronig-Kramers transform test for immitance data validation, J. Electrochem. Soc. 142, 1885-1894 (1995).
• [19] D. Czekaj, A. Lisińska-Czekaj, T. Orkisz, J. Orkisz, G. Smalarz, Impedance spectroscopic studies of sol-gel derived barium strontium titanate thin films: J.Europ.Ceram. Soc. 30, 465 (2010).
• [20] Ch. D. Ling, R. L. Withers, S. Schnidt, J. G. Thomson, Areview of bismuth-rich binary oxides in the systems Bi2O3-Nb2O5, Bi2O3-Ta2O5, Bi2O3-MoO3, and Bi2O3-WO3, Journal of Solid State Chemistry 137, 42-61 (1998).
• [21] MATCH! Version 2.1.2, CRYSTAL IMPACT, Postfach 1251, 53002 Bonn, Germany (URL: http://www.crystalimpact.com/match).
• [22] A. Lisińska-Czekaj, B. Wodecka-Duś, D. Czekaj, Application of ac impedance spectroscopy for characterization of Bi Nb O4 ceramics, Key Engineering Materials 512-515, 1193-1197 (2012).
• [23] P. S. Anantha, K. Hariharan, A Cconductivity analysis and dielectric relaxation behaviour of NaNO3-Al2O3 composites, Materials Science and Engineering B 121, 12-19 (2005).
• [24] D. C. Sinclair, A. R. West, Impedance and modulus spectroscopy of semiconducting BaTiO3 showing positive temperature coefficient of resistance, J.Appl. Phys. 66, 3850-3856 (1989).
• [25] J. T. S. Irvine, D. C. Sinclair, A. R. West, Electroceramics: characterization by impedance spectroscopy, Adv. Mater. 2, 132-138 (1990).
• [26] B. Boukamp, Anonlinear least squares fit procedure for analysis of immittance data of electrochemical systems, Solid State Ionics 20, 31-44 (1986).

Uwagi

The present research has been supported by Polish National Science Centre (NCN) from the funds for science in 2011-2014 as a research project N N507 218540.