Właściwości strukturalne, dielektryczne, optyczne, piezoelektryczne i ferroelektryczne roztworów stałych (1-x)Na[0.5]Bi[0.5]TiO[3]-xBaTiO[3]

Abstract

Polikrystaliczne roztwory stałe (1-x)Na[0.5]Bi[0.5]TiO[3]-xBaTiO[3] ((1-x)NBT-xBT) dla x=0, 0,04, 0,06, 0,08, 0,1, 0,12 i 0,125, otrzymane metodą reakcji w fazie stałej zbadano pod kątem ich właściwości strukturalnych, optycznych, termicznych, dielektrycznych, piroelektrycznych i ferroelektrycznych. Wprowadzenie jonów Ba[2+] w miejsce jonów (Na,Bi)[2+] zwiększając nieporządek strukturalny w podsieci A, powoduje znaczące zmiany struktury krystalicznej i wprowadza naprężenia rozciągające (promień jonu Ba[2+] jest większy niż średni promień jonu (Na, Bi)[2+]), co z kolei wpływa na wzmocnienie cech relaksorowych badanych materiałów. Badania mikrostrukturalne wskazują na dobrze wykształcone ziarna w otrzymanych materiałach, których rozmiar zmniejsza się w miarę wzrostu zawartości jonów Ba[2+]. Badania te wykazały także, jednorodny przestrzenny rozkład pierwiastków (jednorodność składu chemicznego) w próbkach. Analiza wyników badań właściwości mechanicznych wskazała nieznaczne obniżenie wartości parametrów sprężystych. To może być powiązane ze wzrostem rozmiaru komórki elementarnej, co mogło doprowadzić do zwiększenia długość wiązań chemicznych. Zasugerowano że anomalie zaobserwowane w badaniach rozszerzalności termicznej można powiązać z progresywną zmianą uśrednionej objętości komórki elementarnej, a także z przejściem dynamiki sieci krystalicznej z symetrii tetragonalnej do romboedrycznej podczas chłodzenia w zakresie temperatur współistnienia obu faz. Badania efektu piroelektrycznego uwidoczniły złożony charakter procesu depolaryzacji badanych ceramik. Nie stwierdzono występowania fazy antyferroelektrycznej, sugerowanej przez niektórych badaczy. Wydaje się, że obecność współistniejących faz (polarnej i niepolarnej) w czystym NBT i w NBT-BT mogła zasugerować tym badaczom antyferroelektryczny charakter fazy przejściowej. Wyniki badań ramanowskich, dielektrycznych, piezoelektrycznych i mechanicznych pozwalają wysnuć wniosek o istnieniu dodatkowej morfotropowej granicy fazowej (MGF) w okolicy x=0,11. Rezultaty otrzymane w niniejszej pracy wskazują na podobieństwo badanego roztworu stałego NBT-BT do czystego NBT. Podobieństwo to przejawia się m.in. w (1) występowaniu rozmytej przemiany fazowej, (2) identycznym charakterze (uporządkowaniu elektrycznym) faz oraz sekwencji przemian fazowych od niskotemperaturowej (romboedrycznej, bądź tetragonalnej) poprzez fazę przejściową, będącą mieszaniną faz (romboedrycznej z tetragonalną, bądź tetragonalnej z regularną) i (3) obecności cech relaksorowych.

Polycrystalline solid solutions (1-x)Na[0.5]Bi[0.5]TiO[3]-xBaTiO[3] ((1-x)NBT-xBT) for x = 0, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1, 0.12 and 0.125, obtained by solid phase reaction, were tested for their structural, optical, thermal, dielectric, pyroelectric and ferroelectric properties. Substitution of (Na, Bi)[2+] ions with Ba[2+] ions, increasing structural disorder in sublattice A, causes significant changes in the crystal structure and introduces tensile stresses (Ba[2+] ionic radius is larger than the average ionic radius of (Na, Bi)[2+]), which strengthens the relaxation features of the materials studied. Microstructural studies indicate well-formed grains in the obtained materials, the size of which decreases as the content of Ba[2+] ions increases. These studies have also shown a homogeneous spatial distribution of the elements (the homogeneity of chemical composition) in the samples. The analysis of the results of the study of mechanical properties indicates a slight decrease in the value of elastic parameters. This may be related to the increase in the size of the unit cell, which could lead to an increase in the length of chemical bonds. It was suggested that the anomalies observed in the thermal expansion study could be associated with a progressive change in the averaged unit cell volume as well as with the transition of crystal lattice dynamics from tetragonal to rhombohedral symmetry during cooling within the temperature range in which both phases coexist. The analysis of pyroelectric effect revealed the complex nature of depolarization process of the studied ceramics. There was no antiferroelectric phase identified, which had been suggested by some researchers. It seems that the presence of co-existing phases (polar and non-polar) in pure NBT and in NBT-BT may have suggested the antiferroelectric nature of the transient phase to these researchers. The results of Raman, dielectric, piezoelectric and mechanical studies lead to the conclusion that there is an additional morphotropic phase boundary (MPB) near x = 0.11. The results obtained in the present study indicate the similarity of the tested NBT-BT solid solution to pure NBT. The similarity is manifested, among others in: (1) the occurrence of a diffused phase transition, (2) identical character (electric order) of phases and the sequence of phase transformations from low temperature (rhombohedral or tetragonal) through the transition phase, which is a mixture of phases (rhombohedral with tetragonal or tetragonal with cubic), and (3) the presence of relaxor features.