[논문 리뷰] Magnetic and Dielectric Properties of Multiferroic BiFeO3 Nanoparticles Synthesized by a Novel Citrate Combustion Method

Samar Layek, H. C. Verma|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 20.

Multiferroics and related materials인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 평균 크기가 47 nm인 단일 상 BiFeO3 나노입자를 합성하기 위한 새로운 용매가 없는 시트르산 연소법을 제시한다. 이 나노입자는 rhombohedral R3c 퍼보스카이트 구조로 결정화되며, 약한 강자성성을 나타내며 난방장력은 180 Oe이고, 57Fe 모스바우어 스펙트로스코피로 측정한 초자기장은 49.5 T이다. 그러나 높은 유전율을 보이지는 않아, 기존의 막대형 세라믹과는 다릅니다.

ABSTRACT

Single phase BiFeO3 nanoparticles have been successfully synthesized for the first time by a novel citrate combustion method without using any solvent. Well mixed metal nitrates along with citric acid which is used as fuel combust to give BiFeO3 nanoparticles after annealing. These particles are single phase in nature and crystallize in the rhombohedral distorted perovskite structure (space group-R3c) which has been confirmed by the Rietveld refinement of the room temperature powder x-ray diffraction data. Nearly spherical particles of average particle size 47 nm have been seen from transmission electron micrograph. Room temperature magnetic hysteresis measurement shows weak ferromagnetism though the magnetization does not saturate upto 1.75 T applied field. The coercive field value is calculated to be 180 Oe which is 3 times higher than that prepared by solvent free combustion method using Glycine. 57Fe Mössbauer spectrum can be fitted with a sextet corresponding to single magnetic state of hyperfine field about 49.5 T corresponding to Fe3+ state of the iron atom. The dielectric relaxation and ac conductivity as a function of frequency have been discussed. High dielectric permittivity has not been found in these nanoparticles like other reported BiFeO3 ceramics.

연구 동기 및 목표

• 단일 상 BiFeO3 나노입자를 합성하기 위한 용매가 없는 저비용 합성 경로를 개발하기 위해.
• 새로운 시트르산 연소법을 통해 합성된 BiFeO3 나노입자의 자성 및 유전성질을 조사하기 위해.
• 나노스케일에서 BiFeO3의 구조적 및 자성 거동을 이해하고, 특히 막대형 유전 응답과의 차이를 밝히기 위해.
• 글리신 기반 연소법과 같은 다른 용매가 없는 방법으로 합성된 BiFeO3의 자성 성질과 비교하기 위해.

제안 방법

• 비소성 물질인 비스무스 및 철 질산염을 원료로 사용하고 시트르산을 연료로 사용하여 용매가 없는 시트르산 연소법을 적용하였다.
• 혼합된 질산염-시트르산 원료를 열처리하여 자가유지 연소를 유도하고, 이후 소성을 통해 BiFeO3 나노입자를 형성하였다.
• X선 회절(XRD)과 Rietveld 보정을 통해 합성된 나노입자가 rhombohedral R3c 퍼보스카이트 구조를 가지는 것을 확인하였다.
• 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 입자 형태와 크기를 측정하였으며, 약 47 nm 크기의 거의 구형의 입자를 관찰하였다.
• 실온에서 자화 히스테리시스 측정을 수행하여 강자성 거동과 난방장력을 평가하였다.
• 57Fe 모스바우어 스펙트로스코피를 적용하여 철의 초자기장과 산화 상태를 분석하였으며, Fe3+가 단일 자성 상태에 있음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용매가 없는 시트르산 연소법이 어떤 용매도 사용하지 않고 단일 상 BiFeO3 나노입자를 합성할 수 있는가?
• RQ2 이 새로운 시트르산 연소 경로로 합성된 BiFeO3 나노입자의 자성 거동은 난방장력과 포화 자화도 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ3 이 나노입자의 유전 응답은 막대형 또는 다른 나노다공성 BiFeO3 세라믹과 비교하여 어떠한가?
• RQ4 57Fe 모스바우어 스펙트로스코피로 드러난 BiFeO3 나노입자에서 철의 초자기 상호작용은 무엇인가?
• RQ5 입자 크기와 형태가 이 합성 방법에서 관찰된 자성 및 유전 성질에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 합성된 BiFeO3 나노입자는 단일 상이며, XRD 데이터의 Rietveld 보정을 통해 rhombohedral R3c 퍼보스카이트 구조로 결정화되었음을 확인하였다.
• 평균 입자 크기는 47 nm이며, 투과전자현미경을 통해 거의 구형의 형태를 관찰하였다.
• 실온에서의 자화 히스테리시스 측정 결과, 난방장력 180 Oe를 가지는 약한 강자성을 나타내었으며, 이는 글리신 기반 용매가 없는 연소법보다 3배 높은 수준이었다.
• 57Fe 모스바우어 스펙트럼은 단일 자성 상태에 해당하는 6중선으로 적합되었으며, 초자기장은 49.5 T로 측정되어 Fe3+ 산화 상태를 확인하였다.
• 나노입자에서는 높은 유전율이 관찰되지 않았으며, 다른 BiFeO3 세라믹에 대한 보고와 대조되었다.
• 유전율의 안정화 및 교류 전도도 거동은 주파수에 따라 달라지며, 비-디바이 유형의 안정화 과정을 나타내었다.