Estudo das propriedades físicas de sistemas ferroelétricos com estruturas tipo Aurivillius

Abstract

Neste trabalho, as características estruturais, microestruturais, ferroelétricas e dielétricas de materiais ferroelétricos com estruturas laminares de bismuto (BLSFs), conhecidos como Aurivillius, foram investigadas. Os sistemas objetos de estudo foram compostos bicamadas (SrBi2Nb2O9, SrBi2Ta2O9, BaBi2Nb2O9) e tricamadas (Bi4Ti3O12), onde foi considerada a dopagem do sítio A da estrutura com lantânio (La3+). As propriedades físicas, portanto, foram investigadas considerando a influência do La3+ para várias concentrações. As cerâmicas foram preparadas pelo método de reação de estado sólido com sinterização em temperaturas acima de 1000 °C, para todos os casos. Para o estudo das propriedades estruturais e microestruturais, foram utilizadas as técnicas de difração de raios-x, Espectroscopia Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectrometria de Dispersão de Energia (EDS). As propriedades ferroelétricas e dielétricas foram investigadas a partir da dependência da polarização com o campo elétrico e resposta dielétrica com temperatura, respectivamente. Fases puras foram verificadas para todos os sistemas e analisadas com refinamento pelo método de Reitveld. Os resultados apresentaram indícios de alterações nas estruturas das cerâmicas, o que pode ser associado à influência do lantânio na estrutura. Essas alterações foram confirmadas nas medidas de MEV, onde foi possível observar um aumento significativo dos tamanhos médios dos grãos com aumento do dopante para os sistemas bicamadas e uma redução para o sistema tri-camadas. As medidas de Raman identificaram os modos ativos característicos dos sistemas Aurivillius para todos os sistemas estudados, com influência do conteúdo de lantânio na estrutura. As propriedades ferroelétricas foram confirmadas para todos os casos com uma pequena contribuição da condutividade, que pode ser a causa da obtenção de ciclos de histerese aquém da saturação para alguns casos. Em particular, o sistema SrBi2Ta2O9 revelou ciclos bem característicos e definidos, enquanto o sistema BaBi2Nb2O9 mostrou o comportamento esperado para os ferroelétricos relaxores. Picos bem definidos foram observados na resposta dielétrica para todos os casos, observando uma forte influência do conteúdo de dopante nos parâmetros dielétricos. As características da transição de fases revelam comportamentos associados tanto a um ferroelétrico normal quanto ao comportamento típico de relaxores. Este efeito foi discutido detalhadamente para cada caso. É importante destacar que, para todos os casos, baixos valores de perdas dielétricas foram obtidos, muito abaixo dos reportados na literatura para sistemas Aurivillius. Diante destes resultados, os sistemas aqui estudados são fortes candidatos para aplicações tecnológicas.

In this work the structural, microstructural, ferroelectric and dielectric characteristics of ferroelectric materials with bismuth layer structures (BLSFs), known as Aurivillius, were investigated. The studied materials were based on bi-layers (SrBi2Nb2O9, SrBi2Ta2O9, BaBi2Nb2O9) and tri-layer (Bi4Ti3O12) systems, where the lanthanum (La3+) doping in the A-site of the structure has been considered. The physical properties where, therefore, investigated considering the influence of La3+ at various concentrations. The ceramics were prepared by the solid state reaction method for temperatures above 1000 °C for all the cases. For the investigation of the structural and microstructural properties the x-ray diffraction technique, as well as Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive of Spectrometry (EDS) were used. The ferroelectric and dielectric properties were investigated from the electric field dependence of the polarization and dielectric response with temperature, respectively. Pure phases were found for all the systems and analyzed with structural refinement by the Reitveld’s method. The results showed changes in the structure of the ceramics, which can be associated with the influence of the lanthanum content in the structure. These changes were confirmed in the SEM measurements, where a significant increase in average grain size with the increase of the doping content for bi-layer systems, as well as a reduction in average grain size for the tri-layer system, has been observed. The Raman measurements showed the characteristic bands of the Aurivillius systems, with influence of the lanthanum content in the structure, for all the cases. The ferroelectric properties were confirmed in all cases, with a small contribution of the conductivity, which can be the cause for the observation of unsaturated loops in some cases. Particularly, the SrBi2Ta2O9 system showed very well defined hysteresis loops and the BaBi2Nb2O9 system showed the expected behavior for relaxor ferroelectrics. On the other hand, well defined peaks were observed in the dielectric response for all cases, showing a strong influence of the dopant content in the dielectric parameters. The phase transition characteristics revealed behaviors associated with both normal and relaxor ferroelectrics. This effect has been discussed in details for all the cases. Very low values of the dielectric losses were found, when compared to those reported in the literature for typical Aurivillius systems. This result makes the materials studied here promissory systems for practical applications.