Influence of the Annealing Temperature on the Structure and Properties of Bismuth Ferrites

Abstract

В статті представлені зразки фериту вісмуту, отримані авторами за допомогою золь-гель технології. Для встановлення морфології отриманих зразків застосовувалися методи скануючої електронної мікроскопії та енергодисперсійної спектроскопії. В роботі вивчалися дані з рентгеноструктурного аналізу та термодинамічні властивості зразків фериту вісмуту. Було показано, що зразки, відпалені при різних температурах, мають зернисту структуру з розмірами гранул від 20 до 100 нм. Однак у масштабі понад 200 нм усі зразки морфологічно не відрізняються. Дослідження дифракції рентгенівських променів виявило кристалічність фериту вісмуту на рівні масштабу менше одного нанометра. Розміри нанокристаліків фериту вісмуту та загальна структурна неоднорідність зменшуються із збільшенням температури відпалу. Термодинамічний аналіз виявив значне зменшення теплоємності, ентальпії, ентропії та модуля енергії Гіббса досліджуваних зразків із підвищенням температури відпалу. Це свідчить про поліпшення структури за рахунок зменшення тепловтрат на структурні дефекти. Встановлено пряму кореляцію між рівнем розсіювання рентгенівських променів на досліджуваних зразках та термодинамічними властивостями феритів вісмуту. Є підстави вважати, що, вибравши відповідну температуру відпалу, можна регулювати нанокристалічність і, отже, інші фізичні властивості фериту вісмуту.

This article presents samples of bismuth ferrite developed and synthesized by the authors using the solgel method. SEM images of such samples were obtained. The data from X-ray diffraction analysis and thermodynamic properties of these bismuth ferrites were studied. It was found that samples annealed at different temperatures have a granular microstructure with granule sizes from 20 to 100 nm. On a scale above 200 nm, all samples are morphologically indistinguishable. The X-ray diffraction study discovered the crystallinity of bismuth ferrites at a scale level of less than one nanometer. The sizes of nanocrystallites of bismuth ferrite and overall structural heterogeneity decrease with increasing annealing temperature. The thermodynamic analysis found a significant decrease in heat capacity, enthalpy, entropy and modulus of the Gibbs energy of the samples under study with an increase in the annealing temperature. This indicates an improvement in the structure due to reducing heat loss on structural defects. A direct correlation between the level of X-ray scattering on the studied samples and the thermodynamic properties of bismuth ferrites was established. There is reason to believe that by selecting an appropriate annealing temperature, it is possible to regulate the nanocrystallinity and thus other physical properties of bismuth ferrites.