[논문 리뷰] Structural, optical and complex impedance spectroscopy study of multiferroic Bi2Fe4O9 ceramic

S. R. Mohapatra, Baidyanath Sahu외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 05.

Multiferroics and related materials참고 문헌 26인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 고체상 반응를 통해 합성된 다중철성 Bi2Fe4O9 세라믹스를 조사하여 단일 상 오р토로브릭 구조(Pbam)를 확인하였으며, 밴드 갭은 1.53 eV이고 537 nm에서 녹색 광발광을 나타낸다. 복합 임피던스 스펙트로스코피는 비-디바이(relaxation)를 확인하고 산소 공석에 의해 주도되는 열적 활성화 전도를 보여주며, 임피던스, 모듈러스 및 전도도 데이터로부터 유도된 활성화 에너지 값은 약 0.65–0.75 eV이다.

ABSTRACT

Multiferroic bismuth ferrite Bi_2Fe_4O_9 (BFO) ceramic was synthesized by conventional solid state reaction route. X-ray diffraction and Rietveld refinement show formation of single phase ceramic with orthorhombic crystal structure (space group Pbam). The morphological study depicted a well-defined grain of size $\simeq$2μm. The optical studies were carried out by using UV-Vis spectrophotometer which shows a band gap of 1.53 eV and a green emission spectrum at 537 is observed in the Photoluminescence study. The frequency dependent dielectric study at various temperature revealed that the dielectric constant decreases with increase in frequency. A noticeable peak shift towards higher frequency with increasing temperature is observed in the frequency dependent dielectric loss plot. The impedance spectroscopy shows a substantial shift in imaginary impedance (Z") peaks toward the high frequency side described that the conduction in material favoring the long range motion of mobile charge carriers. The presence of non-Debye type multiple relaxations has been confirmed by complex modulus analysis. The frequency dependent ac conductivity at different temperatures indicates that the conduction process is thermally activated. The variation of dc conductivity exhibited a negative temperature coefficient of resistance behavior. The activation energy calculated from impedance, modulus and conductivity data confirmed that the oxygen vacancies play a vital role in the conduction mechanism.

연구 동기 및 목표

• 고체상 반응을 통해 다중철성 Bi2Fe4O9 세라믹스를 합성하고 특성화하기.
• X선 회절 및 리에트벨드 보정을 통해 결정 구조와 상 순도를 확인하기.
• 밴드 갭 및 광발광 방출을 포함한 광학적 성질을 조사하기.
• 복합 임피던스 스펙트로스코피를 사용하여 유전 및 전기적 이동 메커니즘을 분석하기.
• 다양한 분석 방법을 통해 산소 공석이 전도 메커니즘에서 수행하는 역할을 규명하기.

제안 방법

• 고온에서 전통적인 고체상 반응을 사용하여 Bi2Fe4O9 세라믹스를 합성하였다.
• X선 회절(XRD) 및 리에트벨드 보정을 수행하여 오르토로브릭 구조(Pbam)와 상 순도를 확인하였다.
• 자외선-가시광선 스펙트로스코피를 수행하여 1.53 eV의 광학 밴드 갭을 결정하였다.
• 광발광(PL) 스펙트로스코피를 수행하여 537 nm에서 녹색 방출을 확인하였다.
• 주파수 및 온도 의존성 유전 및 임피던스 스펙트로스코피를 수행하여 리아케이션 역학을 분석하였다.
• 복합 모듈러스 분석을 통해 비-디바이 형식의 다중 리아케이션을 확인하고 활성화 에너지를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체상 반응를 통해 합성된 Bi2Fe4O9의 결정 구조와 상 순도는 무엇인가요?
• RQ2 Bi2Fe4O9 세라믹스의 광학 밴드 갭과 발광 거동은 무엇인가요?
• RQ3 유전율과 손실은 주파수와 온도에 따라 어떻게 변화합니까?
• RQ4 Bi2Fe4O9의 전기적 전도성의 특성은 무엇이며, 산소 공석은 어떤 역할을 합니까?
• RQ5 임피던스, 모듈러스 및 전도도 데이터는 활성화 에너지를 추정할 때 어떻게 비교될 수 있나요?

주요 결과

• XRD 및 리에트벨드 보정을 통해 오르토로브릭 구조(Pbam)를 가진 단일 상 Bi2Fe4O9의 형성을 확인하였다.
• 자외선-가시광선 스펙트로스코피를 통해 Bi2Fe4O9의 광학 밴드 갭이 1.53 eV로 결정되었다.
• 광발광 연구에서 537 nm에서 강한 녹색 방출 피크를 관찰하였다.
• 유전율은 주파수가 증가함에 따라 감소하였고, 유전 손실 스펙트럼에서 온도가 상승함에 따라 피크가 고주파수 쪽으로 이동하는 현상을 관찰하였다.
• 임피던스 스펙트로스코피는 온도가 상승함에 따라 허수 임피던스(Z'') 피크가 고주파수 쪽으로 이동하는 것으로 나타나 장거리 전하 운반자의 운동을 시사하였다.
• 임피던스, 모듈러스 및 고주파 전도도 분석에서 일관되게 약 0.65–0.75 eV의 활성화 에너지 값이 도출되었으며, 이는 산소 공석이 전도 메커니즘에서 주요 전하 운반자임을 확인하였다.