N N507 347335

MNiSW > Projekty badawcze - konkurs 35 > N N507 347335
Otrzymywanie i charakterystyka materiałów ceramicznych wykazujących właściwości multiferroiczne
nr kontraktu: N N507 347335

Opracowanie składów i dobór warunków otrzymywania złożonych ceramicznych materiałów tlenkowych o strukturze perowskitu wykazujących równocześnie właściwości ferroelektryczne i magnetyczne w temperaturach bliskich pokojowej oraz ich charakterystyka.

Data rozpoczęcia >> 12.09.2008
Data zakończenia >> 11.09.2011
Czas trwania >> 36 miesięcy
Koszt całkowity >> 0,31 mln zł
Państwa uczestniczące >> POLSKA

Podsumowanie projektu
Celem projektu było opracowanie składów i dobór warunków otrzymywania złożonych ceramicznych materiałów tlenkowych o strukturze perowskitu wykazujących równocześnie właściwości ferroelektryczne i magnetyczne w temperaturach bliskich pokojowej oraz ich charakterystyka. Jako przedmiot projektu wybrane zostały ceramiczne multiferroiki o strukturze perowskitu ze względu na bardzo duże możliwości kształtowania właściwości tych materiałów dzięki łatwości tworzenia roztworów stałych o strukturze perowskitu. W celu otrzymania materiałów multiferroicznych, które będą mogły znaleźć zastosowanie w temperaturze pokojowej w projekcie wykonano roztwory stałe relaksorów o strukturze złożonego perowskitu: Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃, Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃, Pb(Fe_1/2Ta_1/2)O₃ ze związkiem o prostej strukturze perowskitu - BiFeO₃, charakteryzującym się wyższą temperaturą Curie. Przeprowadzono badania syntezy roztworów stałych multiferroików złożonych z rodzin (1-x)Bi_0.95Dy_0.05FeO₃- xPb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃, (1-x)Bi_0.95Dy_0.05FeO₃- xPb(Fe_2/3W_1/3)O₃ oraz (1-x)Bi_0.95Dy_0.05FeO₃- xPb(Fe_1/2Ta_1/2)O₃. Syntezę materiałów przeprowadzono metodą reakcji w fazie stałej. Na podstawie prowadzonych badań określono optymalne warunki syntezy, a także temperaturę i czas spiekania. Czystość fazową badanych materiałów kontrolowano stosując dyfrakcję rentgenowską oraz obserwację ich powierzchni przy użyciu mikroskopii elektronowej wraz z rentgenowską analizą punktową. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji stwierdzono, że otrzymane materiały ceramiczne miały zwartą i jednorodną mikrostrukturę zbudowaną z wyraźnie wykształconych kryształów stykających się ścianami. Wielkość ziaren wahała się w przedziale 1 - 3 μm, a ich skład chemiczny potwierdzono analizą rentgenowską w mikroobszarze. Na podstawie badań dyfrakcji rentgenowskiej stwierdzono, że otrzymane roztwory stałe krystalizują w strukturze romboedrycznej R3c, której parametry krystaliczne zostały określone w niniejszej pracy. Stwierdzono, że wzrost zawartości Bi_0.95Dy_0.05FeO₃ powoduje spadek objętości komórki elementarnej. Wyznaczono parametry oddziaływań nadsubtelnych stosując technikę spektroskopii mössbauerowskiej. Na podstawie przeprowadzonej analizy wykazano przypadkowy rozkład kationów Fe, W, Nb w sieci krystalicznej. Stwierdzono, że wraz ze zmniejszeniem zawartości Bi_0.95Dy_0.05FeO₃ następuje silna redukcja magnetycznego pola nadsubtelnego, co przenosi się na proporcjonalną redukcję momentu magnetycznego. Stosując efekt Mössbauera wyznaczono temperatury porządkowania magnetycznego badanej ceramiki. Zaobserwowano korelację temperatury porządkowania magnetycznego oraz magnetycznego pola nadsubtelnego. Wykonano badania stałoprądowej oporności elektrycznej, na podstawie których stwierdzono, że proces ten jest aktywowany termicznie i przebiega zgodnie z zależnością Arrheniusa. Pozwoliło to na wyznaczenie energii aktywacji przewodnictwa elektrycznego, które wynoszą ok. 1 eV i są typowe dla elektroceramiki. Wykonano pomiary właściwości dielektrycznych stosując technikę spektroskopii impedancyjnej. Stwierdzono, że względna przenikalność elektryczna silnie zależy od temperatury. W przypadku ceramiki z rodziny (1-x)Bi_0.95Dy_0.05FeO₃- xPb(Fe_2/3W_1/3)O₃ wyznaczono zależność temperatury dielektrycznej relaksacji od składu. Zaproponowano elektryczny układ zastępczy i na tej podstawie dla wybranych składów wyznaczono oporności elektryczne wewnąrzziarnowe i międzyziarnowe. Przeprowadzono badania właściwości magnetycznych otrzymanych materiałów. Stwierdzono, że są to materiały antyferromagnetyczne wykazujące w nieznacznym stopniu zachowanie ferromagnetyczne. Wyznaczono zależności namagnesowania od temperatury, które wykazują skomplikowany charakter uporządkowania magnetycznego badanych roztworów stałych. Na podstawie przeprowadzonych badań efektu magnetoelektrycznego wykazano, że w badanych materiałach występuje sprzężenie magnetoelektryczne. Wyznaczono napięciowy współczynnik magnetoelektryczny i stwierdzono jego silną zależność od składu, natężenia pola magnetycznego oraz częstotliwości pola.

Zastosowanie
Przewiduje się zastosowanie opracowanych w ramach projektu multiferroicznych materiałów do wytwarzania przy użyciu technologii grubowarstwowej lub technologii LTCC np. czujników, falowodów, przełączników, inwerterów fazy, przetworników, modulatorów.

Praca została wykonana w ramach projektu badawczego nr N N507 347335, dofinansowanego z funduszy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Źródło: Ośrodek Przetwarzania Informacji – Państwowy Instytut Badawczy

osoba odpowiedzialna: dr inż. A. Stoch