Феррит висмута

Феррит висмута
Идентификаторы
Номер CAS	12010-42-3 ;
3D model ( JSmol )	Интерактивное изображение ;
	показывать ИнЧИ
	показывать УЛЫБКИ
Характеристики
Химическая формула	Би Fe O 3
Молярная масса	312.822 g·mol −1
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Ссылки на инфобоксы

висмута Феррит (BiFeO ₃ , также часто называемый в материаловедении BFO) — неорганическое химическое соединение со структурой перовскита и один из наиболее перспективных мультиферроиков . ^[1] при комнатной температуре Фаза BiFeO ₃ классифицируется как ромбоэдрическая, принадлежащая пространственной группе R3c. ^[2]^[3]^[4] Он синтезируется в объемной и тонкой пленочной форме, и его антиферромагнитная (упорядочение G-типа) температура Нееля (приблизительно 653 К) и сегнетоэлектрическая температура Кюри значительно выше комнатной температуры (приблизительно 1100 К). ^[5]^[6] Сегнетоэлектрическая поляризация происходит вдоль псевдокубического направления ( $\langle 111\rangle _{c}$ ) с величиной 90–95 мкКл/см. ². ^[7]^[8]

Подготовка проб

Феррит висмута не является природным минералом , и было разработано несколько способов синтеза этого соединения.

Твердотельный синтез

В методе твердофазных реакций ^[9] висмута оксид (Bi ₂ O ₃ ) и оксид железа (Fe ₂ O ₃ соотношении 1:1 ) в мольном смешивают в ступке или посредством шаровой мельницы , а затем обжигают при повышенных температурах. Получение чистого стехиометрического BiFeO ₃ затруднено из-за летучести висмута при обжиге, что приводит к образованию устойчивых вторичных фаз Bi ₂₅ FeO ₃₉ ( селенит ) и Bi ₂ Fe ₄ O ₉ ( муллит ). Обычно температура обжига от 800 до 880 градусов Цельсия используется в течение 5-60 минут с быстрым последующим охлаждением. Избыток Bi ₂ O ₃ также использовался в качестве меры для компенсации летучести висмута и во избежание образования фазы Bi ₂ Fe ₄ O ₉ .

Рост монокристаллов

Феррит висмута плавится инконгруэнтно, но его можно вырастить из флюса, богатого оксидом висмута (например, смеси Bi ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ и B ₂ O ₃ в соотношении 4:1:1 при температуре примерно 750-800°С). ^[2] Монокристаллы высокого качества сыграли важную роль для изучения сегнетоэлектрических , антиферромагнитных и магнитоэлектрических свойств феррита висмута.

Химические маршруты

Маршруты мокрого химического синтеза , основанные на золь-гель химии , модифицированные маршруты Печини, ^[10] гидротермальный ^[11] Синтез и осаждение были использованы для получения фазово чистого BiFeO ₃ . Преимущество химических путей заключается в однородности состава прекурсоров и сниженных потерях висмута из-за необходимости гораздо более низких температур. При золь-гель методах аморфный предшественник прокаливают при температуре 300-600°С для удаления органических остатков и ускорения кристаллизации фазы перовскита феррита висмута, при этом недостатком является то, что полученный порошок необходимо спекать при высокой температуре для получения плотного поликристалла. .

Реакция горения раствора – недорогой метод синтеза пористого BiFeO ₃ . В этом методе восстановительный агент (например, глицин, лимонная кислота, мочевина и т. д.) и окислитель (ионы нитрата, азотная кислота и т. д.) используются для генерации реакции восстановления-окисления (RedOx). Внешний вид пламени, а следовательно, и температура смеси зависит от используемого соотношения окислителей и восстановителей. ^[12] Иногда требуется отжиг до 600 ° C для разложения оксонитратов висмута, образующихся в качестве промежуточных продуктов. Учитывая содержание катионов Fe в этом полупроводниковом материале, мессбауэровская спектроскопия является подходящим методом обнаружения присутствия парамагнитной составляющей в фазе.

Тонкие пленки

Об электрических и магнитных свойствах высококачественных эпитаксиальных тонких пленок феррита висмута сообщалось в 2003 г. ^[1] возродил научный интерес к ферриту висмута. Большим преимуществом эпитаксиальных тонких пленок является то, что их свойства можно регулировать путем обработки. ^[13] или химический допинг, ^[14] и что они могут быть интегрированы в электронные схемы . Эпитаксиальная деформация, индуцированная монокристаллическими подложками с параметрами решетки , отличными от параметров решетки феррита висмута, может быть использована для модификации кристаллической структуры до моноклинной или тетрагональной симметрии и изменения сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических или магнитных свойств. ^[15] Импульсное лазерное осаждение (PLD) является очень распространенным способом получения эпитаксиальных пленок BiFeO ₃ , при этом _{подложки SrTiO 3} с _{SrRuO 3} электродами обычно используются . Напыление , молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), ^[16] Химическое осаждение из паровой фазы металлорганических соединений (MOCVD), атомно-слоевое осаждение (ALD) и химическое осаждение из раствора - это другие методы приготовления эпитаксиальных тонких пленок феррита висмута. Помимо магнитных и электрических свойств феррит висмута также обладает фотоэлектрическими свойствами, известными как сегнетоэлектрический фотоэлектрический (FPV) эффект.

Приложения

Будучи мультиферроиком при комнатной температуре и благодаря своему сегнетоэлектрическому фотоэлектрическому (FPV) эффекту, феррит висмута имеет несколько применений в области магнетизма , спинтроники , фотогальваники и т. д.

Фотовольтаика

При эффекте FPV фототок генерируется в сегнетоэлектрическом материале при освещении, и его направление зависит от сегнетоэлектрической поляризации этого материала. Эффект FPV имеет многообещающий потенциал в качестве альтернативы обычным фотоэлектрическим устройствам. , генерируется очень малый фототок Но главным препятствием является то, что в сегнетоэлектриках, таких как LiNbO ₃ . ^[17] что связано с его большой запрещенной зоной и низкой проводимостью. В этом направлении феррит висмута показал большой потенциал, поскольку имеет большой эффект фототока и напряжение выше запрещенной зоны. ^[18] наблюдается в этом материале при освещении. В большинстве работ по использованию феррита висмута в качестве фотоэлектрического материала сообщалось о его тонкой пленке, но в нескольких отчетах исследователи сформировали двухслойную структуру с другими материалами, такими как полимеры, графен и другие полупроводники. В отчете штыревой гетеропереход был сформирован из наночастиц феррита висмута вместе с двумя слоями, транспортирующими носители на основе оксида. ^[19] Несмотря на такие усилия, эффективность преобразования энергии, получаемая из феррита висмута, все еще очень низка.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Ван, Дж.; Нитон, Б.; Чжэн, Х.; Нагараджан, В.; Огале, SB; Лю, Б.; Виланд, Д.; Вайтьянатан, В.; Шлом, Д.Г.; Вагмаре, УФ; Спалдин, Н.А. ; Рабе, КМ ; Вуттиг, М.; Рамеш, Р. (14 марта 2003 г.). «Эпитаксиальные тонкопленочные мультиферроидные гетероструктуры BiFeO3». Наука . 299 (5613): 1719–1722. Бибкод : 2003Sci...299.1719W . дои : 10.1126/science.1080615 . hdl : 10220/7391 . ПМИД 12637741 . S2CID 4789558 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кубель, Фрэнк; Шмид, Ганс (1990). «Структура сегнетоэлектрического и сегнетоупругого монодоменного кристалла перовскита BiFeO3» . Акта Кристаллографика . Б46 (6): 698–702. Бибкод : 1990AcCrB..46..698K . дои : 10.1107/S0108768190006887 .
^ каталанский, Густав; Скотт, Джеймс Ф. (26 июня 2009 г.). «Физика и применение феррита висмута» (PDF) . Продвинутые материалы . 21 (24): 2463–2485. Бибкод : 2009AdM....21.2463C . дои : 10.1002/adma.200802849 . S2CID 49689448 . Архивировано из оригинала (PDF) 3 января 2011 года . Проверено 2 февраля 2012 г.
^ Д. Варшни, А. Кумар, К. Верма, Влияние легирования сайтов A и B на структурные, термические и диэлектрические свойства керамики BiFeO3, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106
^ Киселев С.В.; Озеров, Р.П.; Жданов Г.С. (февраль 1963 г.). «Обнаружение магнитного порядка в сегнетоэлектрике BiFeO3 методом нейтронографии». Доклады советской физики . 7 (8): 742–744. Бибкод : 1963СФД....7..742К .
^ Спалдин, Никола А .; Чонг, Сан-Вук; Рамеш, Рамамурти (1 января 2010 г.). «Мультиферроики: прошлое, настоящее и будущее» . Физика сегодня . 63 (10): 38. Бибкод : 2010ФТ....63ж..38С . дои : 10.1063/1.3502547 . hdl : 20.500.11850/190313 . Проверено 15 февраля 2012 г.
^ Чу, Ин-Хао; Мартин, Лейн В.; Холкомб, Микель Б.; Рамеш, Рамамурти (2007). «Управление магнетизмом с помощью мультиферроиков» . Материалы сегодня . 10 (10): 16–23. дои : 10.1016/s1369-7021(07)70241-9 .
^ Зейдель, Дж.; Мартин, ЛВ; Он, К.; Жан, К.; Чу, Ю.-Х.; Ротер, А.; Хокридж, Мэн; Максимович П.; Ага.; Гаек, М.; Балке, Н.; Калинин С.В.; Гемминг, С.; Ван, Ф.; Каталонский, Г.; Скотт, Дж. Ф.; Спалдин, Н.А. ; Оренштейн, Дж.; Рамеш, Р. (2009). «Проводимость на доменных стенках в оксидных мультиферроиках». Природные материалы . 8 (3): 229–234. Бибкод : 2009NatMa...8..229S . дои : 10.1038/NMAT2373 . ПМИД 19169247 .
^ Шарма, Пурва; Варшней, Динеш; Сатапати, С.; Гупта, ПК (15 января 2014 г.). «Влияние замещения Pr на структурные и электрические свойства керамики BiFeO3». Химия и физика материалов . 143 (2): 629–636. doi : 10.1016/j.matchemphys.2013.09.045 .
^ Гош, Сушмита; Дасгупта, Субрата; Сен, Амарнатх; Сехар Маити, Химадри (1 мая 2005 г.) [14 апреля 2005 г.]. «Низкотемпературный синтез наноразмерного феррита висмута мягким химическим путем». Журнал Американского керамического общества . 88 (5): 1349–1352. дои : 10.1111/j.1551-2916.2005.00306.x .
^ Хан, Ж.-Т.; Хуанг, Ю.-Х.; Ву, X.-J.; Ву, К.-Л.; Вэй, В.; Пэн, Б.; Хуанг, В.; Гуденаф, Дж. Б. (18 августа 2006 г.) [18 июля 2006 г.]. «Перестраиваемый синтез ферритов висмута различной морфологии». Продвинутые материалы . 18 (16): 2145–2148. Бибкод : 2006AdM....18.2145H . дои : 10.1002/adma.200600072 . S2CID 97665976 .
^ Ортис-Киньонес, Хосе-Луис; Пал, Умапада; Вильянуэва, Мартин Салазар (10 мая 2018 г.). «Влияние соотношения окислителя/восстановителя на фазовую чистоту, кристалличность и магнитное поведение субмикрочастиц BiFeO, выращенных при сжигании в растворе». Неорганическая химия . 57 (10): 6152–6160. doi : 10.1021/acs.inorgchem.8b00755 . ПМИД 29746118 .
^ Мэй, Антонио Б.; Сареми, Сахар; Мяо, Люди; Барон, Мэтью; Тан, Юнцзянь; Зеледон, Сайрус; Шуберт, Юрген; Ральф, Дэниел С.; Мартин, Лейн В.; Шлом, Даррелл Г. (01 ноября 2019 г.). «Сегнетоэлектрические свойства слоев феррита висмута, подвергнутых ионному облучению, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы АПЛ . 7 (11): 111101. Бибкод : 2019APLM....7k1101M . дои : 10.1063/1.5125809 .
^ Мюллер, Марвин; Хуан, Йен-Линь; Велес, Саул; Рамеш, Рамамурти; Фибиг, Манфред; Трассин, Морган (04 октября 2021 г.). «Обучение поляризации в интегральных устройствах на основе La0,15Bi0,85FeO3» . Продвинутые материалы . 33 (52): 2104688. Бибкод : 2021АдМ....3304688М . дои : 10.1002/adma.202104688 . hdl : 10486/704259 . ПМИД 34606122 . S2CID 238258729 .
^ Зечес, Р.Дж.; Росселл, доктор медицины; Чжан, JX; Хатт, Эй Джей; Он, К.; Ян, Ч.-Х.; Кумар, А.; Ван, Швейцария; Мелвилл, А.; Адамо, К.; Шэн, Г.; Чу, Ю.-Х.; Ихлефельд, Дж. Ф.; Эрни, Р.; Эдерер, К.; Гопалан, В.; Чен, LQ; Шлом, Д.Г.; Спалдин, Н.А. ; Мартин, ЛВ; Рамеш, Р. (12 ноября 2009 г.). «Деформационная морфотропная фазовая граница в BiFeO3» . Наука . 326 (5955): 977–980. Бибкод : 2009Sci...326..977Z . дои : 10.1126/science.1177046 . ПМИД 19965507 . S2CID 21497135 .
^ Мэй, Антонио Б.; Тан, Юнцзянь; Шуберт, Юрген; Йена, Дебдип; Син, Хуйли (Грейс); Ральф, Дэниел С.; Шлом, Даррелл Г. (01 июля 2019 г.). «Самосборка и свойства доменных границ в слоях BiFeO3, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы АПЛ . 7 (7): 071101. Бибкод : 2019APLM....7g1101M . дои : 10.1063/1.5103244 .
^ AM Glass, Von der Linde и TJ Negran, Высоковольтный объемный фотоэлектрический эффект и фоторефрактивный процесс в LiNbO3, Appl. Физ. Lett.doi:10.1063/1.1655453
^ Ян, С.Ю.; Зейдель, Дж.; Бирнс, С.Дж.; Шафер, П.; Ян, CH; Росселл, доктор медицины; Ага.; Чу, Ю.Х.; Скотт, Дж. Ф.; Агер, Дж.В.; Мартин, ЛВ; Рамеш, Р. (2010). «Напряжения за запрещенной зоной сегнетоэлектрических фотоэлектрических устройств» . Природные нанотехнологии . 5 (2): 143–147. Бибкод : 2010НатНа...5..143Г . дои : 10.1038/nnano.2009.451 . ПМИД 20062051 . S2CID 16970573 .
^ Чаттерджи, С.; Бера, А.; Пал, Эй Джей (2014). «p – i – n-гетеропереходы с наночастицами перовскита BiFeO3 и оксидами p- и n-типа: фотоэлектрические свойства» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (22): 20479–20486. дои : 10.1021/am506066m . ПМИД 25350523 .

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Ван, Дж.; Нитон, Б.; Чжэн, Х.; Нагараджан, В.; Огале, SB; Лю, Б.; Виланд, Д.; Вайтьянатан, В.; Шлом, Д.Г.; Вагмаре, УФ; Спалдин, Н.А. ; Рабе, КМ ; Вуттиг, М.; Рамеш, Р. (14 марта 2003 г.). «Эпитаксиальные тонкопленочные мультиферроидные гетероструктуры BiFeO3». Наука . 299 (5613): 1719–1722. Бибкод : 2003Sci...299.1719W . дои : 10.1126/science.1080615 . hdl : 10220/7391 . ПМИД 12637741 . S2CID 4789558 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б Кубель, Фрэнк; Шмид, Ганс (1990). «Структура сегнетоэлектрического и сегнетоупругого монодоменного кристалла перовскита BiFeO3» . Акта Кристаллографика . Б46 (6): 698–702. Бибкод : 1990AcCrB..46..698K . дои : 10.1107/S0108768190006887 .

[3] каталанский, Густав; Скотт, Джеймс Ф. (26 июня 2009 г.). «Физика и применение феррита висмута» (PDF) . Продвинутые материалы . 21 (24): 2463–2485. Бибкод : 2009AdM....21.2463C . дои : 10.1002/adma.200802849 . S2CID 49689448 . Архивировано из оригинала (PDF) 3 января 2011 года . Проверено 2 февраля 2012 г.

[4] Д. Варшни, А. Кумар, К. Верма, Влияние легирования сайтов A и B на структурные, термические и диэлектрические свойства керамики BiFeO3, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106

[5] Киселев С.В.; Озеров, Р.П.; Жданов Г.С. (февраль 1963 г.). «Обнаружение магнитного порядка в сегнетоэлектрике BiFeO3 методом нейтронографии». Доклады советской физики . 7 (8): 742–744. Бибкод : 1963СФД....7..742К .

[6] Спалдин, Никола А .; Чонг, Сан-Вук; Рамеш, Рамамурти (1 января 2010 г.). «Мультиферроики: прошлое, настоящее и будущее» . Физика сегодня . 63 (10): 38. Бибкод : 2010ФТ....63ж..38С . дои : 10.1063/1.3502547 . hdl : 20.500.11850/190313 . Проверено 15 февраля 2012 г.

[7] Чу, Ин-Хао; Мартин, Лейн В.; Холкомб, Микель Б.; Рамеш, Рамамурти (2007). «Управление магнетизмом с помощью мультиферроиков» . Материалы сегодня . 10 (10): 16–23. дои : 10.1016/s1369-7021(07)70241-9 .

[8] Зейдель, Дж.; Мартин, ЛВ; Он, К.; Жан, К.; Чу, Ю.-Х.; Ротер, А.; Хокридж, Мэн; Максимович П.; Ага.; Гаек, М.; Балке, Н.; Калинин С.В.; Гемминг, С.; Ван, Ф.; Каталонский, Г.; Скотт, Дж. Ф.; Спалдин, Н.А. ; Оренштейн, Дж.; Рамеш, Р. (2009). «Проводимость на доменных стенках в оксидных мультиферроиках». Природные материалы . 8 (3): 229–234. Бибкод : 2009NatMa...8..229S . дои : 10.1038/NMAT2373 . ПМИД 19169247 .

[9] Шарма, Пурва; Варшней, Динеш; Сатапати, С.; Гупта, ПК (15 января 2014 г.). «Влияние замещения Pr на структурные и электрические свойства керамики BiFeO3». Химия и физика материалов . 143 (2): 629–636. doi : 10.1016/j.matchemphys.2013.09.045 .

[10] Гош, Сушмита; Дасгупта, Субрата; Сен, Амарнатх; Сехар Маити, Химадри (1 мая 2005 г.) [14 апреля 2005 г.]. «Низкотемпературный синтез наноразмерного феррита висмута мягким химическим путем». Журнал Американского керамического общества . 88 (5): 1349–1352. дои : 10.1111/j.1551-2916.2005.00306.x .

[11] Хан, Ж.-Т.; Хуанг, Ю.-Х.; Ву, X.-J.; Ву, К.-Л.; Вэй, В.; Пэн, Б.; Хуанг, В.; Гуденаф, Дж. Б. (18 августа 2006 г.) [18 июля 2006 г.]. «Перестраиваемый синтез ферритов висмута различной морфологии». Продвинутые материалы . 18 (16): 2145–2148. Бибкод : 2006AdM....18.2145H . дои : 10.1002/adma.200600072 . S2CID 97665976 .

[12] Ортис-Киньонес, Хосе-Луис; Пал, Умапада; Вильянуэва, Мартин Салазар (10 мая 2018 г.). «Влияние соотношения окислителя/восстановителя на фазовую чистоту, кристалличность и магнитное поведение субмикрочастиц BiFeO, выращенных при сжигании в растворе». Неорганическая химия . 57 (10): 6152–6160. doi : 10.1021/acs.inorgchem.8b00755 . ПМИД 29746118 .

[13] Мэй, Антонио Б.; Сареми, Сахар; Мяо, Люди; Барон, Мэтью; Тан, Юнцзянь; Зеледон, Сайрус; Шуберт, Юрген; Ральф, Дэниел С.; Мартин, Лейн В.; Шлом, Даррелл Г. (01 ноября 2019 г.). «Сегнетоэлектрические свойства слоев феррита висмута, подвергнутых ионному облучению, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы АПЛ . 7 (11): 111101. Бибкод : 2019APLM....7k1101M . дои : 10.1063/1.5125809 .

[14] Мюллер, Марвин; Хуан, Йен-Линь; Велес, Саул; Рамеш, Рамамурти; Фибиг, Манфред; Трассин, Морган (04 октября 2021 г.). «Обучение поляризации в интегральных устройствах на основе La0,15Bi0,85FeO3» . Продвинутые материалы . 33 (52): 2104688. Бибкод : 2021АдМ....3304688М . дои : 10.1002/adma.202104688 . hdl : 10486/704259 . ПМИД 34606122 . S2CID 238258729 .

[15] Зечес, Р.Дж.; Росселл, доктор медицины; Чжан, JX; Хатт, Эй Джей; Он, К.; Ян, Ч.-Х.; Кумар, А.; Ван, Швейцария; Мелвилл, А.; Адамо, К.; Шэн, Г.; Чу, Ю.-Х.; Ихлефельд, Дж. Ф.; Эрни, Р.; Эдерер, К.; Гопалан, В.; Чен, LQ; Шлом, Д.Г.; Спалдин, Н.А. ; Мартин, ЛВ; Рамеш, Р. (12 ноября 2009 г.). «Деформационная морфотропная фазовая граница в BiFeO3» . Наука . 326 (5955): 977–980. Бибкод : 2009Sci...326..977Z . дои : 10.1126/science.1177046 . ПМИД 19965507 . S2CID 21497135 .

[16] Мэй, Антонио Б.; Тан, Юнцзянь; Шуберт, Юрген; Йена, Дебдип; Син, Хуйли (Грейс); Ральф, Дэниел С.; Шлом, Даррелл Г. (01 июля 2019 г.). «Самосборка и свойства доменных границ в слоях BiFeO3, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Материалы АПЛ . 7 (7): 071101. Бибкод : 2019APLM....7g1101M . дои : 10.1063/1.5103244 .

[17] AM Glass, Von der Linde и TJ Negran, Высоковольтный объемный фотоэлектрический эффект и фоторефрактивный процесс в LiNbO3, Appl. Физ. Lett.doi:10.1063/1.1655453

[YangSYSeidelJByrnesSJShaferPYangCHRossellMDYuPChuYHScottJFAgerJWMartinLWRameshR-18] Ян, С.Ю.; Зейдель, Дж.; Бирнс, С.Дж.; Шафер, П.; Ян, CH; Росселл, доктор медицины; Ага.; Чу, Ю.Х.; Скотт, Дж. Ф.; Агер, Дж.В.; Мартин, ЛВ; Рамеш, Р. (2010). «Напряжения за запрещенной зоной сегнетоэлектрических фотоэлектрических устройств» . Природные нанотехнологии . 5 (2): 143–147. Бибкод : 2010НатНа...5..143Г . дои : 10.1038/nnano.2009.451 . ПМИД 20062051 . S2CID 16970573 .

[ChatterjeeSBeraAPalAJ-19] Чаттерджи, С.; Бера, А.; Пал, Эй Джей (2014). «p – i – n-гетеропереходы с наночастицами перовскита BiFeO3 и оксидами p- и n-типа: фотоэлектрические свойства» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (22): 20479–20486. дои : 10.1021/am506066m . ПМИД 25350523 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]