[論文レビュー] Structural, optical and complex impedance spectroscopy study of multiferroic Bi2Fe4O9 ceramic

S. R. Mohapatra, Baidyanath Sahu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Multiferroics and related materials参考文献 26被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、固体反応法を用いて合成された多フェロイック性Bi2Fe4O9セラミックスの特性を調査した。単相の正方晶構造（空間群Pbam）を有し、バンドギャップは1.53 eV、537 nmで緑色の光励起発光を示した。複素インピーダンススペクトル解析により、非デューブワ型の緩和と酸素バッドが支配する熱的活性化伝導が確認された。インピーダンス、モジュラス、および電導度データから得られた活性化エネルギーは約0.65–0.75 eVであり、酸素バッドが伝導メカニズムにおける主要なキャリアであることを示した。

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.

研究の動機と目的

• 固体反応法を用いてBi2Fe4O9多フェロイックセラミックスを合成・特性評価すること。
• X線回折とリートベルト精査を用いて結晶構造および相純度を特定すること。
• バンドギャップおよび光励起発光発光特性を含む光学的性質を調査すること。
• 複素インピーダンススペクトルを用いて誘電および電気的輸送挙動を分析すること。
• 複数の解析手法を用いて酸素バッドが伝導メカニズムに果たす役割を同定すること。

提案手法

• 高温での従来的固体反応法を用いてBi2Fe4O9セラミックスを合成した。
• X線回折（XRD）およびリートベルト精査を実施し、正方晶構造（空間群Pbam）および相純度を確認した。
• 紫外可視分光法を用いて1.53 eVの光学的バンドギャップを測定した。
• 光励起分光法（PL）を実施し、537 nmで緑色発光が観察された。
• 周波数および温度依存の誘電およびインピーダンス分光法を実施し、緩和ダイナミクスを分析した。
• 複素モジュラス解析を用いて、非デューブワ型の多重緩和を確認し、活性化エネルギーを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体反応法で合成されたBi2Fe4O9の結晶構造および相純度は何か？
• RQ2 Bi2Fe4O9セラミックスの光学的バンドギャップおよび発光挙動は何か？
• RQ3 誘電定数および誘電損失は周波数および温度の変化にどのように応答するか？
• RQ4 Bi2Fe4O9における電気的伝導の性質は何か。酸素バッドはそのメカニズムにどのような役割を果たすか？
• RQ5 インピーダンス、モジュラス、および電導度データは、活性化エネルギーの推定においてどのように比較されるか？

主な発見

• XRDおよびリートベルト精査により、単相のBi2Fe4O9が正方晶構造（空間群Pbam）として形成されたことが確認された。
• UV-Vis分光法を用いた解析により、Bi2Fe4O9の光学的バンドギャップは1.53 eVと決定された。
• 光励起分光法の結果、537 nmに強い緑色発光ピークが観察された。
• 誘電定数は周波数の上昇に伴い減少し、誘電損失スペクトルでは温度上昇に伴いピークが高周波数側にシフトした。
• インピーダンス分光法により、温度上昇に伴い虚数インピーダンス（Z''）ピークが高周波数側にシフトした。これは長距離にわたるキャリア移動を示唆している。
• インピーダンス、モジュラス、および交流電導度解析から得られた活性化エネルギーは、いずれも約0.65–0.75 eVであり、酸素バッドが伝導メカニズムにおける主要なキャリアであることを確認した。