Achieving multiferroic properties in bismuth titanate ceramics via a tri‑doping engineering mechanism with Co, Sm, and La at room temperature
Obtenção de propriedades multiferroicas em cerâmicas de titanato de bismuto por meio de um mecanismo de dopagem tripla com Co, Sm e La à temperatura ambiente.
Autores:
- Mahmoud S. Alkathy1,
- Yalambaku Rajesh1,
- Flavio Paulo Milton1,2,
- Fabio L. Zabotto1,
- Valmor R. Mastelaro3,
- Daniel Matos Silva4,*
- Ivair A. Santos4,*
- J. A. Eiras1,*
1 Department of Physics, Federal University of São Carlos, São Carlos, SP CEP 13565‑905, Brazil
2 Faculty of Exact Sciences and Technology, Federal University of Grande Dourados, Dourados, MS CEP 79825‑070, Brazil
3 Institute of Physics, University of São Paulo, São Carlos, São Carlos, SP CEP 13566‑590, Brazil
4 Department of Physics, State University of Maringa, Av. Colombo, 5790, Maringa, PR CEP 87020‑900, Brazil
*Pesquisadores do NAPI EZC
Received: 05 de maio de 2024
Accepted: 12 de agosto de 2024
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s10854-024-13362-1
Abstract
The discovery of advanced single-phase multiferroic materials at room temperature is expected to significantly impact the development of a wide range of electronic devices for next-generation applications. Based on this goal, the Co ions were selected as acceptors in the Ti4+ site of the Bi3.25 (Sm0.50La0.50)0.75Ti3O12 (BSLT) host lattice. The obtained systems show excellent ferroelectric, magnetic, and magnetodielectric properties. According to the structural analysis, no secondary phase could be observed, and all the prepared samples exhibited layered perovskite structures belonging to the n = 3 Aurivillius family. The morphological study shows that the average grain size decreases with increasing Co content. The ferroelectric and magnetic studies show that the residual polarization and magnetization exhibit opposite variations depending on the doping. The XPS results confirm that the Co is present in a mixed valence state, namely Co2+ and Co3+. This suggests that the ferromagnetism at room temperature could be due to a double exchange interaction between the neighboring Co2+ and Co3+ ions and the oxygen ions. The study of the dielectric constant shows that the real and imaginary dielectric constants have the same trend and increase directly with the magnetic field increase. This indicates that the predominant mechanism of the MD effect is not an extrinsic Maxwell–Wagner mechanism but rather an intrinsic mechanism involving spin realignment of the Co2+– Co3+ dipoles.
Resumo
Espera-se que a descoberta de materiais multiferroicos monofásicos à temperatura ambiente tenha um impacto significativo no desenvolvimento de uma ampla gama de dispositivos eletrônicos avançados. Com base nesse objetivo, íons de Co foram selecionados como aceitadores no sítio Ti4+ da rede hospedeira Bi3.25(Sm0.50La0.50)0.75Ti3O12 (BSLT). Os sistemas obtidos apresentam excelentes propriedades ferroelétricas, magnéticas e magnetodielétricas. De acordo com a análise estrutural, nenhuma fase secundária pôde ser observada, e todas as amostras preparadas exibiram estruturas em camadas de perovskitas, pertencentes à família Aurivillius n = 3. O estudo morfológico indica que o tamanho médio do grão diminui com o aumento do teor de Co. Os estudos ferroelétricos e magnéticos revelaram que a polarização e magnetização residuais exibem variações opostas dependendo da dopagem. Os resultados do XPS confirmam que o Co está presente em um estado de valência misto, ou seja, Co2+ e Co3+. Isso sugere que o ferromagnetismo observado à temperatura ambiente pode ser devido a uma interação de troca dupla entre os íons Co2+ e Co3+ vizinhos e os íons de oxigênio. O estudo da constante dielétrica revela que as constantes dielétricas real e imaginária têm a mesma tendência e aumentam diretamente com o aumento do campo magnético. Isso indica que o mecanismo predominante do efeito magnetodielétrico não é um mecanismo extrínseco tipo Maxwell–Wagner, mas sim um mecanismo intrínseco envolvendo realinhamento de spin dos dipolos Co2+ – Co3+
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
