Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

DIELECTRIC CHARACTERIZATION OF THE BiFe_0.5Cr_0.5O₃ CERAMICS
Edita Palaimiene^a, Vaiva Gribauskaite^a, Jūras Banys^a, Anatoli V. Pushkarev^b, Yuri V. Radyush^b, Nikolai M. Olekhnovich^b, João Pedro Veleirinho Cardoso^c, and Andrei N. Salak^c
^aInstitute of Applied Electrodynamics and Telecommunications, Vilnius University, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
^bAffiliation-independent researchers
^cDepartment of Materials and Ceramics Engineering, CICECO – Aveiro Institute of Materials, University of Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal
Email: edita.palaimiene@ff.vu.lt

Received 30 September 2022; accepted 4 October 2022

Dielectric properties of the BiFe_0.5Cr_0.5O₃ ceramics synthesized under high pressure were investigated in a broad frequency range (20 Hz – 1 GHz) between 200 and 500 K. It was revealed that the ceramics exhibit electrical conductivity above 300 K. Below 300 K, a dielectric dispersion caused by ferroelectric domains was observed. It was found that the conductivity follows the Almond–West law, which allowed us to determine a DC contribution (σ_DC). From the σ_DC values obtained at different temperatures, the activation energy (E_A = 0.302 ± 0.006 eV) was calculated using the Arrhenius law.
Keywords: ceramics, spectroscopy, ferroelectric materials
PACS: 77.22.-d, 77.84.-s

DIELEKTRINĖ BiFe_0,5Cr_0,5O₃ KERAMIKOS CHARAKTERISTIKA
Edita Palaimienė^a, Vaiva Gribauskaitė^a, Jūras Banys^a, Anatoli V. Pushkarev^b, Yuri V. Radyush^b, Nikolai M. Olekhnovich^b, João Pedro Veleirinho Cardoso^c, Andrei N. Salak^c

^aVilniaus universiteto Taikomosios elektrodinamikos ir telekomunikacijų institutas, Vilnius, Lietuva
^bNepriklausomi nuo afiliacijos tyrėjai
^cAveiro universiteto Medžiagų institutas CICECO, Aveiras, Portugalija

Multiferoikas – medžiaga, turinti ir feroelektrinių, ir feromagnetinių savybių. Viena tokių medžiagų yra bismuto ferito keramika (BFO), kuri turi feroelektrinių bei feromagnetinių savybių kambario temperatūroje, todėl su laukė didelio tyrinėtojų dėmesio. Dėl paprastos gardelės struktūros ir savybių kitimo kambario temperatūroje dauguma naujų keramikų yra sintetinamos su šios medžiagos elementais: bistumu, geležimi ir deguonimi. Viena tokių medžiagų – bismuto ferumo chromo oksidas (BiFe_1–xCr_xO₃), apie kurią žinoma mažai, tačiau tikimasi, kad tai bus aukštos temperatūros multiferoikas. Dėl feroelektrinių ir feromagnetinių savybių tikėtina, kad multiferoikai bus plačiai pritaikomi elektronikoje, pavyzdžiui, magnetinei atminčiai kontroliuoti elektriniu lauku arba atvirkščiai.
Šiame darbe publikuojami BiFe_0,5Cr_0,5O₃ keramikos dielektriniai tyrimai. Tyrimai atlikti plačiajuostės dielektrinės spektroskopijos metodu 20 Hz – 1 GHz dažnių diapazone esant 200–500 K temperatūrai. BiFe_0,5Cr_0,5O₃ keramikos dielektriniams spektrams daugiausia įt,kos turi elektrinis laidumas, kurio temperatūra yra daugiau nei 400 K ir dažnis žemesnis nei 100 Hz. BiFe_0,5Cr_0,5O₃ keramikoje žemose temperatūrose (žemiau 300 K) matoma dielektrinė dispersija, kurią nulemia feroelektriniai domenai. BiFe_0,5Cr_0,5O₃ keramikoje žemuose dažniuose stebimi elektrinio laidumo indukuoti procesai, aukštuose dažniuose – dipolinė relaksacija.

References / Nuorodos

[1] G. Catalan and J.F. Scott, Physics and applications of bismuth ferrite, Adv. Mater. 21, 2463–2485 (2009),
https://doi.org/10.1002/adma.200802849
[2] F. Sugawara, S. Ihda, Y. Syono, and S. Akimoto, Magnetic properties and crystal distortions of BiMnO₃ and BiCrO₃, J. Phys. Soc. Jpn. 25, 1553 (1968),
https://doi.org/10.1143/JPSJ.25.1553
[3] A.A. Belik, S. Iikubo, K. Kodama, N. Igawa, S. Shamoto, and E. Takayama-Muromachi, Neutron powder diffraction study on the crystal and magnetic structures of BiCrO₃, Chem. Mater. 20, 3765 (2008),
https://doi.org/10.1021/cm800375d
[4] A.A. Belik, N. Tsujii, H. Suzuki, and E. Takayama-Muromachi, Magnetic properties of bulk BiCrO₃ studied with dc and ac magnetization and specific heat, Inorg. Chem. 46, 8746 (2007),
https://doi.org/10.1021/ic701099f
[5] P. Baettig and N.A. Spaldin, Ab initio prediction of a multiferroic with large polarization and magnetization, Appl. Phys. Lett. 86, 012505 (2005),
https://doi.org/10.1063/1.1843290
[6] P. Baettig, C. Ederer, and N.A. Spaldin, First principles study of the multiferroics BiFeO₃, Bi₂FeCrO₆, and BiCrO₃: Structure, polarization, and magnetic ordering temperature, Phys. Rev. B 72, 214105 (2005),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.214105
[7] M.R. Suchomel, C. Thomas, M. Allix, and M. Rosseinsky, A. Fogg, and M. Thomas, High pressure bulk synthesis and characterization of the predicted multiferroic Bi(Fe_1/2Cr_1/2)O₃, Appl. Phys. Lett. 90, 2–5 (2007),
https://doi.org/10.1063/1.2713757
[8] R. Nechache, C. Harnagea, L.-P. Carignan, D. Ménard, and A. Pignolet, Epitaxial Bi₂FeCrO₆ multiferroic thin films, Phil. Mag. Lett. 87, 231 (2007),
https://doi.org/10.1080/09500830601153402
[9] R. Nechache, C. Harnagea, A. Pignolet, F. Normandin, T. Veres, L.-P. Carignan, and D. Ménard, Growth, structure, and properties of epitaxial thin films of first-principle predicted multiferroic Bi₂FeCrO₆ , Appl. Phys. Lett. 89, 102902 (2006),
https://doi.org/10.1063/1.2346258
[10] S. Kamba, D. Nuzhnyy, R. Nechache, K. Závěta, D. Nižňanský, E. Šantavá, C. Harnagea, and A. Pignolet, Infrared and magnetic characterization of multiferroic Bi₂FeCrO₆ thin films over a broad temperature range, Phys. Rev. B 77, 104111 (2008),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.104111
[11] I.P. Raevski, S.P. Kubrin, A.V. Pushkarev, N.M. Olekhnovich, Y.V. Radyush, V.V. Titov, M.A. Malitskaya, S.I. Raevskaya, and H. Chen, The effect of Cr substitution for Fe on the structure and magnetic properties of BiFeO₃ multiferroic, Ferroelectrics 525, 0015–0193 (2018),
https://doi.org/10.1080/00150193.2018.1432844
[12] Q. Ke, X. Lou, Y. Wang, and J. Wang, Oxygen-vacancy-related relaxation and scaling behaviors of Bi_0.9La_0.1Fe_0.98Mg_0.02O₃ ferroelectric thin film, Phys. Rev. B 82, 024102 (2010),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.024102
[13] E. Palaimiene, A. Plyushch, J. Macutkevič, J. Banys, E. Talik, and A. Kania, Ferroelectric properties and phase transitions dynamics of Ag_1–xLi_xNbO₃ (x ≤ 0.08) ceramics, J. Alloys Compd. 913, 165290 (2022),
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165290
[14] J. Grigas, Microwave Dielectric Spectroscopy of Ferroelectrics and Related Materials (CRC Press, 1996),
https://doi.org/10.1201/9780203747186
[15] M.R. Panda, R. Cheruku, and G. Govindaraj, Investigations on structural and electrical properties of Li₂NiSiO₄, Int. J. ChemTech. Res. 6, 1962–1964 (2014),
https://www.academia.edu/7751867/Investigations_on_Structural_and_Electrical_Properties_of_Li2NiSiO4
[16] E. Barsoukov and J.R. Macdonald, Impendance Spectroscopy: Theory, Experiment and Applications, 2nd ed. (John Wiley and Sons, 2005),
https://doi.org/10.1002/0471716243