Improving the ferroelectric and photovoltaic properties of Nd-modified bismuth titanate ceramics via cobalt doping and oxygen vacancy regulation
Melhoria das propriedades ferroelétricas e fotovoltaicas de cerâmicas de titanato de bismuto modificadas com neodímio por meio da dopagem com cobalto e da regulação de vacâncias de oxigênio
Autores:
- Mahmoud S. Alkathy, Hamoud A. Kassim,
- Vitor F. Barbosa,
- Anibal Thiago Bezerra,
- Person Pereira Neves,
- Mariama Rebello Sousa Dias,
- Leandro Sanches, Rafael Alves Lozano,
- Flavio Paulo Milton, Fabio L. Zabotto,
- Valmor R. Mastelaro,
- Manuel H. Lente,
- Ivair Aparecido dos Santos*
- Jose Antonio Eiras
* Pesquisador NAPI EZC
Publicado 15 junho 2026
Abstract
This study investigates effects of cobalt (Co) substitution and oxygen-vacancy manipulation on the ferrophotovoltaic efficacy of Nd-modified bismuth titanate ceramics, Bi3.25Nd0.75Ti3−xCoxO12 (BNdT-Cox). Cobalt ions were included at the titanium sites to alter the electronic structure and defect chemistry, while oxygen vacancies were systematically adjusted via post-annealing in an oxygen-rich environment for varying durations (0, 4, 8, and 12 h). Rietveld refinement indicated notable octahedral distortions, especially in the Ti(2)O6 octahedra, implying a preferential incorporation of transition-metal ions and the existence of pronounced octahedral tilting and rotation. The structural alterations, along with the creation of oxygen vacancies, decreased the bandgap of pure BNdT from 3.22 eV to 1.88 eV; however, they also diminished the remanent polarization, so constraining the ferrophotovoltaic response. Subsequent oxygen annealing significantly alleviated this trade-off by elevating the bandgap from 1.88 eV to 2.6 eV, concurrently augmenting the remanent polarization from 0.5 to 8 µC/cm² and diminishing the oxygen-vacancy concentration from around 30% to 10%. The findings indicate that the synergistic management of transition-metal doping and oxygen-vacancy concentration constitutes an effective approach for engineering Aurivillius-type photoferroelectrics with elevated remanent polarization (Pr) and reduced bandgap (Eg), both of which are critical for enhancing ferrophotovoltaic energy-conversion efficiency.
Resumo
Este estudo investiga os efeitos da substituição por cobalto (Co) e da manipulação de vacâncias de oxigênio na eficiência ferrofotovoltaica de cerâmicas de titanato de bismuto modificadas com neodímio, Bi₃.₂₅Nd₀.₇₅Ti₃₋ₓCoₓO₁₂ (BNdT-Coₓ). Íons de cobalto foram incorporados nos sítios ocupados por titânio para alterar a estrutura eletrônica e a química de defeitos do material, enquanto as vacâncias de oxigênio foram ajustadas sistematicamente por meio de tratamentos térmicos posteriores em atmosfera rica em oxigênio, durante diferentes períodos (0, 4, 8 e 12 horas). O refinamento de Rietveld revelou distorções octaédricas significativas, especialmente nos octaedros Ti(2)O₆, sugerindo a incorporação preferencial dos íons metálicos de transição e a presença de pronunciadas inclinações e rotações octaédricas. As alterações estruturais, juntamente com a criação de vacâncias de oxigênio, reduziram o bandgap do BNdT puro de 3,22 eV para 1,88 eV. No entanto, também diminuíram a polarização remanescente, limitando assim a resposta ferrofotovoltaica. Posteriormente, o tratamento térmico em atmosfera de oxigênio reduziu significativamente esse compromisso entre propriedades, elevando o bandgap de 1,88 eV para 2,6 eV, ao mesmo tempo em que aumentou a polarização remanescente de 0,5 para 8 µC/cm² e reduziu a concentração de vacâncias de oxigênio de aproximadamente 30% para 10%. Os resultados indicam que o controle combinado da dopagem com metais de transição e da concentração de vacâncias de oxigênio constitui uma estratégia eficaz para projetar fotoferroelétricos do tipo Aurivillius com elevada polarização remanescente (Pr) e bandgap reduzido (Eg), características essenciais para aumentar a eficiência da conversão de energia em dispositivos ferrofotovoltaicos.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
