The role of Ca+2 doping on the structural, magnetic and electrical properties of bismuth ferrite powders and films

Abstract

The search for alternative ways of collecting, storing and reusing energy has motivated our research to investigate multifunctional materials based on the perovskite structure, such as Bismuth ferrite (BFO). Our scope was to synthesize pure and calcium doped Bismuth Ferrite powders and thin films deposited on Platinum substrate by sol-gel method. Consequently, multifunctional properties were analyzed as a function of the BFO composition and growing conditions. Moreover, pure BFO powders at 700ºC exhibited bismuth oxide secondary phase for all growing times. When a suitable amount of 2% and 5% Calcium ions was incorporated to BFO host the secondary phases became negligible to XRD detection at 15 mins and 30mins growing times. Also, magnetic behavior for pure powders exhibited paramagnetic to ferromagnetic with structure tuning. The magnetic susceptibility increased from 68memu/g at 15mins to 120 memu/g at 15mins as calcium doping goes up to 5% for powders. Coherency strain were confirmed for BFO host deposited on Pt/SiO2/Si. The annealing temperature for thin films deposited on Pt/SiO2/Si were 600 ºC. Films at 15mins and 30mins are suitable conditions for structure formation. Furthermore, the Coesite was the secondary phase observed in some condition films. Also, pure BFO host deposited on Pt/SiO2/Si exhibited a ferrimagnetic with a maximum magnetization of 50 emu/cm3 at 15mins annealing time. The coercivity of pure BFO host films were higher at 45mins and 60mins with 57Oe and 70Oe respectively. Indeed, suitable calcium composition for films were 5% and 7%. The magnetization for 5% calcium doping films at 15 mins and 30mins were 22 emu/cm3 and 10 emu/cm3. P-E loops were compared at 8V for the 0%, 2%,5% and 7% calcium composition films at 30mins; 10,000Hz. Remnant polarization were 5 µC/cm2, 2 µC/cm2, 6 µC/cm2 and 21 µC/cm2, respectively. The sample film with 5% of calcium doping at 30mins were tested at different voltages up to 18V. The maximum remnant polarization was around 50 µC/cm2. Moreover, polarization in films were enhanced by the incorporation of calcium ions. Also, the stabilization of BFO host were exhibited at 30min annealing time with 5% of calcium ions film. As a result, magnetic and electric properties are coupled forming a multiferroic material in function of annealing temperature, time and calcium composition.

La búsqueda de formas alternativas de recopilar, almacenar y reutilizar la energía ha motivado nuestra investigación para estudiar materiales multifuncionales basados en la estructura de la perovskita, como la ferrita de Bismuto (BFO). Nuestro objetivo fue sintetizar polvos de ferrita de bismuto puros y dopados con calcio. También se crecieron películas delgadas depositadas sobre sustrato de platino. Las nano-partículas y películas fuero producidas mediante el método sol-gel. En consecuencia, las propiedades multifuncionales se analizaron en función de la composición BFO y las condiciones de crecimiento. Además, los polvos de BFO puro a 700ºC exhibieron la fase secundaria de óxido de bismuto para todos los tiempos de crecimiento. Cuando se incorporó una cantidad adecuada de iones de calcio al 2% y al 5% a la matriz de BFO, las fases secundarias se volvieron insignificantes para la detección de XRD a los 15 minutos y los 30 minutos de tiempos de recocido. Además, el comportamiento magnético para polvos puros exhibió comportamiento paramagnético a ferromagnético con ajuste de estructura. La susceptibilidad magnética aumentó desde 68memu/g a los 120memu/g para15mins, con la incorporación de calcio aumenta a 5% en partículas. La deformación debido la coherencia “coherency strain” se confirmó para la matriz de BFO depositado en Pt/SiO2/Si. La temperatura de recocido para películas delgadas depositadas en Pt/SiO2/Si fue de 600 ºC. Las películas a 15 minutos y 30 minutos son condiciones adecuadas para la formación de estructuras. Además, la Coesita fue la fase secundaria observada en algunas películas de condiciones. Además, la matriz de BFO puro depositado en Pt/SiO2/Si exhibió un ferrimagnético con una magnetización máxima de 50 emu/cm3 a 15 minutos de tiempo de recocido. La coercitividad de las películas dela matriz BFO puras fue mayor a los 45 minutos y 60 minutos con 57Oe y 70Oe, respectivamente. De hecho, la composición de calcio adecuada para las películas fue del 5% y 7%. La magnetización para películas dopadas con calcio al 5% a los 15 minutos y 30 minutos fue de 22 emu/cm3 y 10 emu/cm3. Las gráficas P-E se compararon a 8 V para las películas 0%, 2%, 5% y 7% a los 30 minutos; 10,000 Hz. La polarización remanente fue de 5 μC/cm2, 2 μC/cm2, 6 μC/cm2 y 21μC/cm2, respectivamente. La película delgada con un 5% de dopaje de calcio a los 30 minutos se probó a diferentes voltajes hasta 18V. La polarización remanente máxima fue de alrededor de 50 μC/cm2. Por otra parte, la polarización en las películas se vio reforzada por la incorporación de iones de calcio. Además, la estabilización de la matriz BFO se exhibió en un tiempo de hibridación de 30 minutos con 5% de iones de calcio. Como resultado, las propiedades magnéticas y eléctricas se acoplan formando un material multiferroico en función de la temperatura de recocido, el tiempo y la composición de calcio.