[论文解读] 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 24

一句话总结

本研究通过固相反应法合成多铁性Bi2Fe4O9陶瓷，揭示其为单相正交结构（Pbam），带隙为1.53 eV，且在537 nm处呈现绿色光致发光。复数阻抗谱分析证实存在非德鲁德弛豫行为，且导电机制受热激活控制，主要由氧空位主导，通过阻抗、模量和电导率数据得出的活化能约为0.65–0.75 eV。

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.

研究动机与目标

• 通过固相反应法合成并表征多铁性Bi2Fe4O9陶瓷。
• 利用XRD和Rietveld精修确定晶体结构和相纯度。
• 研究包括带隙和光致发光发射在内的光学性质。
• 利用复数阻抗谱分析介电和电荷传输行为。
• 通过多种分析方法识别氧空位在导电机制中的作用。

提出的方法

• 采用高温常规固相反应法合成Bi2Fe4O9陶瓷。
• 通过X射线衍射（XRD）和Rietveld精修确认正交结构（Pbam）及相纯度。
• 利用紫外-可见光谱法测定光学带隙为1.53 eV。
• 通过光致发光（PL）光谱分析确定537 nm处的绿色发射。
• 进行频率和温度依赖的介电与阻抗谱分析，研究弛豫动力学。
• 采用复数模量分析确认非德鲁德型多重弛豫行为，并提取活化能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过固相反应法合成的Bi2Fe4O9的晶体结构和相纯度如何？
• RQ2 Bi2Fe4O9陶瓷的光学带隙和发光行为是什么？
• RQ3 介电常数和介电损耗如何随频率和温度变化？
• RQ4 Bi2Fe4O9中的电导本质是什么？氧空位在其中扮演何种角色？
• RQ5 阻抗、模量和电导率数据在估算活化能方面有何异同？

主要发现

• XRD和Rietveld精修证实形成了单相Bi2Fe4O9，具有正交结构（空间群Pbam）。
• 通过紫外-可见光谱法测得Bi2Fe4O9的光学带隙为1.53 eV。
• 光致发光研究揭示在537 nm处存在强烈的绿色发射峰。
• 介电常数随频率升高而降低，介电损耗谱中随温度升高，峰值向更高频率移动。
• 阻抗谱显示，随着温度升高，虚部阻抗（Z''）峰值向更高频率移动，表明存在长程电荷载流子运动。
• 阻抗、模量和交流电导率分析一致得出活化能约为0.65–0.75 eV，证实氧空位是导电机制中的主要载流子。