Structural and Optical Characterization of Multiferroic BiFeO3 Nanoparticles Synthesized at Different Annealing Temperatures

Abstract

Синтез мультиферроїчного BiFeO3 (BFO) без будь-якої вторинної фази є великою проблемою. У роботі наночастинки BFO готували методом золь-гелю при трьох різних температурах відпалу. Для спостереження за структурою підготовлених наночастинок застосовували рентгенівську дифракцію (XRD). Яскраво-кристалічна структура наночастинок чистого BFO була підтверджена рентгенограмою. На рентгенограмі наночастинок BFO спостерігалась вторинна фаза (Bi2Fe4O9). Зміщення ліній від фази було помічено із збільшенням температури відпалу. Для детального вивчення морфології зерна синтезованих наночастинок було проведено автоелектронну скануючу мікроскопію (FESEM). Метод енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) також проводили для трьох різних температур відпалу. Зі збільшенням температури відпалу з 500 до 700 °C розмір частинок збільшився із 151 нм до 318 нм, а розмір кристалітів збільшився з 30,6 нм до 54,3 нм. Для вимірювання дифузного відбиття використовували спектрофотометр UV/Vis/NIR, а потім визначали оптичну ширину забороненої зони (Eg). Енергія забороненої зони зросла з 1,96 еВ до 2,04 еВ при збільшенні температури відпалу з 500 до 700 °C. Встановлено, що температура відпалу 500 °C є оптимальною умовою синтезу наночастинок BiFeO3.

Multiferroic BiFeO3 (BFO) synthesis without any secondary phase is a big challenge. In this work, BFO nanoparticles were prepared using the sol-gel method at three different annealing temperatures. In order to observe the structure of prepared nanoparticles, X-ray diffraction (XRD) was used. The lucid crystalline structure of pure BFO nanoparticles was confirmed by the XRD pattern. In XRD pattern of these BFO nanoparticles, a secondary phase (Bi2Fe4O9) was observed. A phase shift was noticed with increasing annealing temperature. To scrutinize the grain morphology of synthesized nanoparticles, field emission scanning electron microscopy (FESEM) was performed. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis had also been done for three different annealing temperatures. With increasing annealing temperature from 500 to 700 °C, particle size increased from 151 nm to 318 nm and crystallite size increased from 30.6 nm to 54.3 nm. In order to measure diffuse reflectance, a UV/Vis/NIR spectrophotometer was used and then optical band gap (Eg) was determined. Band gap energy increased from 1.96 eV to 2.04 eV for the increment of annealing temperature from 500 to 700 °C. The annealing temperature of 500 °C was found to be the optimal condition for synthesizing BiFeO3 nanoparticles.