Crystal Structure, Raman Spectra and Electrical Conductivity of LiNb1 – xTaxO3 Nanopowders Obtained with High-energy Ball Milling

Abstract

Досліджено рентгенівську дифракцію, комбінаційне розсіювання та температурні залежності електричної провідності нанопорошків LiNb1 – xTaxO3 різного складу (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1), отриманих за методом механосинтезу з використанням планетарного кульового млина. Всі зразки відпалювалися за температури 550 °C; крім того, ряд зразків було додатково відпалено при 800 °C. Порівняння отриманих структурних параметрів зразків LiNb1 – xTaxO3 із структурними даними для LiNbO3 та LiTaO3 вказує на утворення твердого розчину LiNb1 – xTaxO3. Встановлено, що збільшення вмісту Ta у нанопорошках LiNb1 – xTaxO3 веде до збільшення параметра a кристалічної решітки за одночасного зменшення параметра c, що в цілому призводить до деякого зменшення об'єму елементарної комірки. Середній розмір кристалітів змінюється від 31 нм для нанопорошків, відпалених лише при 550 °C, до 206 нм для нанопорошків, додатково відпалених при 800 °C. Показано, що хоча спектри комбінаційного розсіювання досліджених нанопорошків є подібними, деякі особливості також мають місце. Вони пов'язані як з різними складами нанопорошків, так і з присутністю паразитних фаз LiNb(Ta)3O8, Nb2O5 та/або Ta2O5. Вперше виявлено інтенсивну смугу комбінаційного розсіювання зразків з x ≠ 0. Ця смуга спостерігається в області 1008…1009 см – 1 і, імовірно, не є пов'язаною з присутністю паразитних фаз. Температурні залежності провідності пресованих нанопорошків LiNb1 – xTaxO3 досліджено в температурному інтервалі 400…940 °C. Визначені енергії активації електричної провідності (1.328 еВ для x = 0.5, 1.232 еВ для x = 0.75 та 1.166 еВ для x = 1) є близькими до відомих величин для чистих LiNbO3 та LiTaO3 у температурному діапазоні іонної провідності.

The X-ray diffraction, Raman scattering, and the temperature dependences of electrical conductivity are investigated for LiNb1 – xTaxO3 nanopowders of different composition (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) obtained by mechanochemical synthesis with the use of the planetary ball mill. All samples were thermally treated at 550 °C; in addition, some of them were annealed at 800 °C. The comparison of the obtained structural parameters of LiNb1 – xTaxO3 samples with the structural data for LiNbO3 and LiTaO3 points to the formation of the LiNb1 – xTaxO3 solid solution. It is revealed that an increase in Ta content in LiNb1 – xTaxO3 nanopowders leads to an increase in the a-parameter of the crystal lattice and a simultaneous decrease in the c-parameter that eventually leads to a slight decrease in the unit cell volume. The average size of crystallites varies from 31 nm for the nanopowders annealed only at 550 °C to 206 nm for the ones additionally annealed at 800 °C. It is shown that although the Raman spectra of the investigated nanopowders are similar, some peculiarities are also observed. They arise from the different compositions of nanopowders, as well as from the presence of LiNb(Ta)3O8, Nb2O5 and/or Ta2O5 parasitic phases. For the first time, an intense band was revealed in the Raman spectra of samples with x ≠ 0. This band is observed in the region of 1008…1009 cm – 1 and, probably, cannot be connected with the presence of parasitic phases. The temperature dependences of pressured LiNb1 – xTaxO3 nanopowders conductivity are investigated at temperatures of 400…940 °C. The determined activation energies of the electrical conductivity (1.328 eV for x = 0.5, 1.232 eV for x = 0.75, and 1.166 eV for x = 1) are close to the known values for pure LiNbO3 and LiTaO3 in the temperature range of ionic conduction.