2.2. Результаты и обсуждение

Результатыдиэлектрическихизмерений нанопорошка, прокаленного при 600^оС,представленына рис. 9.На более низких частотах и высоких температурах (выше 300^оС) обе составляющие комплексной диэлектрической проницаемости увеличиваются с температурой. О повышенных значениях диэлектрических констант при низких частотах или при высоких температурах сообщалось во многих работах[2,5]. Из рис. 9 видно, что обе компоненты испытывают сильную частотную зависимость. Дисперсия диэлектрической проницаемости вызвана динамикой сегнетоэлектрических доменов. С ростом частоты и уменьшаются и достигают почти постоянных величин. При комнатных температурах

В окрестности температуры НееляT_N(370°C) на кривых обнаруживается слабый максимум, являющийсяследствием диэлектрического отклика сегнетоэлектрической подсистемы на антиферромагнитный фазовый переход.

Рис. 9. Температурные зависимости реальной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости нанопорошкаBFO.

Протяженность температурного диапазона пика указывает на то, что магнитоэлектрические связи в BFOявляются сильными и имеют диффузный характер. Эта аномалия, задолго до температуры Кюри (830°C), провоцирована тем, что переход из антиферромагнитного состояния к парамагнитное состоянию влияет на сегнетоэластическое доменное состояние и, в конечном итоге, воздействует на упорядочение диэлектрических диполей[19]. В результате около температуры Т_Nнаблюдается аномальное поведение диэлектрической проницаемости.

Низкочастотная (<1MHz) диэлектрическая проницаемостьBFOв области высоких температурах, как правило, связывается с Максвелл-Вагнеровской релаксации и высокой проводимостью образца.На рис. 10представлена частотная зависимость проводимости нанопорошка, измеренной при комнатной температуре.

Рис. 10. Температурные зависимости проводимости нанопорошкаBFOпосле термообработки при 600^оС при различных частотах.

В области низких частот проводимость почти не зависит от частоты и может быть рассмотрена как проводимость на постоянном токе . С увеличением частоты ac-проводимость (проводимость в переменном поле)возрастает сначала медленно, а затем выше 100 кГц быстро. Частотная зависимость проводимости можно описать степенным законом = + , где есть dc-проводимость, есть ac-проводимость, Aиs – постоянные. Степенная частотная зависимость обычно проводимости чаще всего свидетельствует о прыжковоммеханизме проводимости и связывается с прыжками электронов по локализованным состояниям [22].

Как видно из рис. 10, на температурной зависимости проводимости имеются две ярко выраженные области с граничной температурой около 300⁰С, аналогичные температурной зависимости диэлектрической проницаемости (рис. 9). Идентичность температурных зависимостей и свидетельствуют о корреляции диэлектрическихсвойств с электрической проводимостью.

Рис.11. Температурные зависимости проводимости нанопорошкаBFO после термообработки при 600^оС в координатах lnσ = f (1/T).

Для наглядности на рис. 11температурная зависимость проводимости представлена в координатах Аррениуса. Анализ зависимостейlnσ=f(1/T) при различных частотах позволяет заключить о смене механизма проводимостиBFOвыше 300⁰С. Из полученных результатов, используя закон Аррениуса , можно вычислить энергию активации ( в низкотемпературной области. Расчеты показывают, что проводимость имеет термо-активационный характер с энергиями активации 0,15-0,30эВ, причем энергия активации проводимости убывает с ростом частоты. В высокотемпературной области энергия активации оказалась ниже 2,9 эВ, т.е. близка к ширине запрещенной зоны BFO - 2,69 эВ[1].

Таким образом, нанопорошокBFO ниже 300⁰С проявляет свойства полупроводника с примесной проводимостью, которая с ростом температуры последовательно переходит в собственную проводимость. Эти два механизма проводимости, возможно, связаны с электрическим транспортом между зернами (границам зерен) и в зернах, как на это указывается в [18].

В [2] отмечено, что с ростом температуры проводимость объемных образцов BFO возрастает наподобие широкозонных полупроводников. Более того, в окрестности температуры НееляT_N удельное сопротивление изменяется по абсолютной величине. Это указывает на то, что магнитное упорядочение влияет на запрещенную зону, увеличивая его в антиферромагнитной фазе. Корреляция между шириной запрещенной зоны и магнитоупорядочением предполагает, что BiFeOможет быть магниторезистивным.

Следует особо обратить внимание на зависимость на рис. 10 при высоких частотах (>1 МГц). В этом диапазоне частот вновь меняется характер температурной зависимости проводимости, указывая на смену механизма проводимости. Ясно, что образцы BFO содержат различное количество примесных фаз, дефектных центров, кислородных вакансий. Как показано во многих работах, основной вклад в электропроводность BFOдаеттранспорт кислородных вакансий. Нельзя, однако, исключить из рассмотрения вероятность появления дополнительных каналов транспорта (или смены механизмов токопереноса) при структурных фазовых переходах как за счет окисления ионов железа Fe²⁺, как раз начинающихся в окрестности 300⁰С, так и в результате конкуренции различных механизмов проводимости.

Выводы

1. В окрестности температуры Нееля на кривых имеется максимум, являющийся следствием магнитоэлектрических взаимодействий в нанопорошкеBFO. С ростом частоты и уменьшаются и достигают почти постоянных величин. При комнатных температурах 100.

2. При температурах выше 300^оС диэлектрические свойства BFO зависят от проводимости образца. Проводимость при низких температурах описывается степенным законом с частотным показателем 0.903. Проводимость нанопорошка в области температур до 300^оС имеет примесный характер с набором энергий активации в пределах = 0.15 – 0.30эВ, причем энергия активации убывает с ростом частоты.

3. Выше 300^оС имеет экспоненциальный характер. Энергия активации при этих температурах, в среднем, близка к ширине запрещенной зоны монокристалла BFO – 2.7 эВ.