Room-temperature multiferroic enhancement in cobalt and iron co-doped Aurivillius ceramics via defect engineering strategy
Aprimoramento multiferroico à temperatura ambiente em cerâmicas de Aurivillius co-dopadas com cobalto e ferro por meio de estratégia de engenharia de defeitos.
Autores:
- Mahmoud S. Alkathy
- Fabio L. Zabotto
- Rafael Alves Lozano
- Yalambaku Rajesh
- Vitor F. Barbosa
- Rodrigo A.R. Carvalho
- Flavio Paulo Milton
- Daniel Matos Silva**
- Ivair Aparecido dos Santos*
- Valmor R. Mastelaro
- J.A. Eiras
* Coordenador NAPI EZC
** Bolsista Técnico NAPI EZC
Publicado: 01 de julho de 2025
Abstract
Bi₃.₂₅Nd₀.₇₅Ti₃₋ₓ(Fe₀.₅₀Co₀.₅₀)ₓO₁₂ ceramics (BNdT-FCx) with 0 ≤ x ≤ 0.30 were synthesized using the solid-state reaction method. The structural analysis confirmed the presence of the orthorhombic Bi₄Ti₃O₁₂ (BiT) phase, characterized by the space group B2cb. Rietveld refinement revealed pronounced octahedral distortions, particularly in the Ti(2)O₆ octahedra, which became more prominent with increasing Co (Cobalt) and Fe (Iron) co-doping levels.
Dielectric measurements over the 300–1000 K temperature range exhibited significant low-frequency dielectric dispersion, attributed to increased localized charge carriers’ contribution. Structural distortions strongly influenced the ferroelectric properties, specifically octahedral tilting and A-site ion displacement along the a-axis, which play a critical role in the polarization mechanism.
The magnetic study indicated modest magnetic interactions in Nd-doped samples, whereas co-doping with Co³⁺/Fe³⁺ induced discernible ferromagnetic behavior, as evidenced by M-H hysteresis loops. Incorporating Co³⁺/Fe³⁺ co-dopants introduced oxygen vacancies, which correlated with a reduction in ferroelectric performance, likely due to domain pinning effects.
This work provides comprehensive insights into the interplay between structural modifications and the resulting electrical and magnetic properties of BNdT-FCx ceramics, highlighting their potential for advanced multifunctional material applications.
Resumo
Cerâmicas Bi3.25Nd0.75Ti3-x(Fe0.50Co0.50)xO12 (BNdT-FCx) com 0≤x ≤ 0.30 foram sintetizadas utilizando o método de reação no estado sólido.
A análise estrutural confirmou a presença da fase ortorrômbica Bi4Ti3O12 (BiT), caracterizada pelo grupo espacial B2cb. O refinamento de Rietveld revelou distorções octaédricas pronunciadas, especialmente nos octaedros Ti(2)O6, que se tornaram mais evidentes com o aumento dos níveis de co-dopagem com Cobalto (Co) e Ferro (Fe).
As medições dielétricas na faixa de temperatura de 300–1000 K exibiram uma dispersão dielétrica significativa em baixas frequências, atribuída ao aumento da contribuição de portadores de carga localizados. As distorções estruturais influenciaram fortemente as propriedades ferroelétricas, particularmente a inclinação octaédrica e o deslocamento de íons no sítio A ao longo do eixo a, desempenhando um papel crítico no mecanismo de polarização.
O estudo magnético indicou interações magnéticas modestas em amostras dopadas com Nd, enquanto a co-dopagem com Co³⁺/Fe³⁺ induziu um comportamento ferromagnético perceptível, evidenciado por laços de histerese M-H. A incorporação dos co-dopantes Co³⁺/Fe³⁺ introduziu vacâncias de oxigênio, correlacionadas com a redução do desempenho ferroelétrico, possivelmente devido a efeitos de aprisionamento de domínios.
Este trabalho fornece uma visão abrangente sobre a relação entre modificações estruturais e as propriedades elétricas e magnéticas resultantes das cerâmicas BNdT-FCx, destacando seu potencial para aplicações avançadas em materiais multifuncionais.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
