Rozmycie przemiany fazowej w polikrystalicznym $Ba_{1-x}Sr_xTiO_3$

Abstract

Rozmycie przemiany fazowej w materiałach ferroelektrycznych zostało zaobserwowane już w latach 50. Jedną z pierwszych grup materiałów, w której stwierdzono występowanie tego rodzaju zjawiska są roztwory stałe na bazie tytanianu baru (BT). W niniejszej pracy skupiono się na polikrystalicznym roztworze stałym, na bazie BT, o ogólnym wzorze $(Ba_{1-x}Sr_x)TiO_3$ (BST). Próbki wykonano metodą konwencjonalną na drodze reakcji w stanie stałym, dla koncentracji domieszki x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, i 0,45. Struktura krystaliczna, została zbadana z wykorzystaniem analizy dyfrakcji rentgenowskiej. Zbadane zostały zmiany symetrii oraz wyznaczono temperatury, w których te zmiany występują, ze szczególnym uwzględnieniem przemiany z fazy o symetrii tetragonalnej do regularnej. Ponadto badane próbki zostały przebadane technikami SEM, DSC, spektroskopii Ramana, FT-IR, metodą pętli histerezy, SHG. Wykonano również badania dielektryczne, prądu piroelektrycznego oraz przewodności cieplnej. Zaobserwowano rozmycie przemian fazowych oraz przesunięcia temperatur ich występowania w kierunku niższych wartości wraz ze wzrostem zawartości $Sr^{2+}$. Stwierdzono występowanie tłumienia właściwości ferroelektrycznych oraz indukowanie cech podobnych do relaksora w miarę wzrostu koncentracji strontu. W niniejszej pracy przedstawiono również wpływ polaryzacji BST zewnętrznym polem elektrycznym na charakter oraz ewolucję badanych właściwości. Wykonane zostały również obliczenia ab initio dla koncentracji x = 0,125 i 0,25. Pozwoliły one zbadać wpływ domieszkowania jonami $Sr^{2+}$ na gęstość stanów elektronowych.

The phenomenon of diffuse phase transition (DPT) in ferroelectric materials was observed as early as the 1950s. One of the first groups of materials in which this kind of phenomenon has been observed are solid solutions based on barium titanate (BT). The present study focuses on a polycrystalline solid solution of general formula $(Ba_{1-x} Sr_x)TiO_3$ (BST). Samples were made for dopant concentrations x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.45. The crystal structure of the studied ceramics was investigated using X-ray diffraction analysis. Changes in symmetry have been investigated and the temperatures at which these changes occur were determined, with particular emphasis on the transformation from tetragonal to cubic phase. In addition, the studied samples were investigated by SEM, DSC, Raman spectroscopy, FT-IR, hysteresis loop method, SHG techniques. Dielectric, pyroelectric current and thermal conductivity studies were also performed. Diffuse phase transformations were observed, along with shifts in the temperatures of their occurrence toward lower values, with increasing $Sr^{2+}$ content. In addition, suppression of ferroelectric properties and induction of relaxor-like features were found as strontium concentration increased. This dissertation also presents the effect of BST polarization by an external electric field on the nature and evolution of the properties studied. Ab-initio calculations were also performed for concentrations x = 0.125 and 0.25. They made it possible to study the effect of doping with $Sr^{2+}$ ions on the density of electron states.