vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2018-54-2-154-160vestich-316Research ArticleНЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯINORGANIC CHEMISTRYСИНТЕЗ И СВОЙСТВА НИОБИЙ- И КОБАЛЬТЗАМЕЩЕННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ТИТАНАТА ВИСМУТА СО СТРУКТУРОЙ СЛОИСТОГО ПЕРОВСКИТАSYNTHESIS AND PROPERTIES OF NIOBIUM-, COBALT-SUBSTITUTED SOLID SOLUTIONS OF BISMUTH TITANATE WITH LAYERED PEROVSKITE STRUCTUREКлындюкА. И.KlyndyukA. I.

Клындюк Андрей Иванович – канд. хим. наук, доцент.

ул. Свердлова, 13А, 220006, Минск.

Andrei I. Klyndyuk – Ph. D. (Chemistry), Associate Professor.

13A, Sverdlova Str., 220006, Minsk.

klyndyuk@belstu.byЧижоваЕ. А.ChizhovaE. A.

Чижова Екатерина Анатольевна – канд. хим. наук, доцент.

ул. Свердлова, 13А, 220006, Минск.

Ekaterina A. Chizhova – Ph. D. (Chemistry), Associate Professor.

13A, Sverdlova Str., 220006, Minsk.

chizhova@belstu.byГлинскаяА. А.GlinskayaA. A.

Глинская Анна Анатольевна – канд. хим. наук.

ул. Свердлова, 13А, 220006, Минск.

Anna A. Glinskaya – Ph. D. (Chemistry), Senior Lecturer.

13A, Sverdlova Str., 220006, Minsk.

zatsiupa@mail.ruБелорусский государственный технологический университет.Belarusian State Technological University.201821062018542154160Copyright © Клындюк А.И., Чижова Е.А., Глинская А.А., 20182018Клындюк А.И., Чижова Е.А., Глинская А.А.Klyndyuk A.I., Chizhova E.A., Glinskaya A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/316

Керамическим методом синтезированы твердые растворы Bi4Ti3–2xNbxCoxO12 (x = 0,05, 0,10, 0,15), изучены их кристаллическая структура, тепловое расширение, электрические и диэлектрические свойства. Установлено, что титанаты Bi4Ti3–2xNbxCoxO12 являются полупроводниками p-типа, величина электропроводности которых при низких температурах выше, а при повышенных – ниже, чем для базового титаната висмута Bi4Ti3O12. Найдено, что частичное совместное замещение титана ниобием и кобальтом в Bi4Ti3O12 приводит к увеличению размера элементарной ячейки образующихся при этом твердых растворов, снижению их температуры Кюри, уменьшению диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь и слабо влияет на величину их температурного коэффициента линейного расширения. Для твердых растворов Bi4Ti3,8Nb0,1Co0,1O12 и Bi4Ti3,7Nb0,15Co0,15O12 обнаружено резкое возрастание энергии активации электропроводности при переходе из сегнетоэлектрической области в параэлектрическую.

The Bi4Ti3–2xNbxCoxO12 (x = 0.05, 0.10, 0.15) solid solutions have been synthesized using ceramic method, their crystal structure, thermal expansion, electrical and dielectric properties have been studied. It has been established that Bi4Ti3–2xNbxCoxO12 titanates are p-type semiconductors whose electrical conductivity at low temperatures is higher, but at high temperatures is lower than for the base Bi4Ti3O12 bismuth titanate. It has been found that partial co-substitution of titanium by niobium and cobalt in Bi4Ti3O12 leads to the increase in the size of the unit cell of the Bi4Ti3–2xNbxCoxO12 solid solutions, a decrease in their Curie temperature, a decrease in the dielectric constant and dielectric losses, and slightly affects the magnitude of their linear thermal expansion coefficient. For Bi4Ti3.8Nb0.1Co0.1O12 and Bi4Ti3.7Nb0.15Co0.15O12 solid solutions, a sharp increase in the activation energy of electrical conductivity has been observed at the transition from the ferroelectric region to the paraelectric region.

слоистый титанат висмутадиэлектрическая проницаемостьдиэлектрические потериэлектропроводностьтермо-ЭДСтепловое расширениеlayered bismuth titanatedielectric permittivitydielectric losseselectrical conductivitythermo-EMFthermal expansionГПНИ «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии»State Program of Scientific Investigations “Physical Materials Sciencs, New Materials and Technolo- gies”ReferencesDielectric relaxation and conduction mechanism of dysprosium doped barium bismuth titanate Aurivillius ceramics / T. Badapanda [et al.] // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. – 2017. – Vol. 28, № 3. – P. 2775–2787. DOI: 10.1007/s10854-016-5858-6Badapanda T., Harichandan R., Kumar T. B., Mishra S. R., Anwar S. Dielectric relaxation and conduction mechanism of dysprosium doped barium bismuth titanate Aurivillius ceramics. Journal of Materials Sciences: Materials in Electronics, 2017, vol. 28, no. 3, pp. 2775–2787. DOI: 10.1007/s10854-016-5858-6Hyatt, N. C. Cation disorder in Bi2Ln2Ti3O12 Aurivillius phases (Ln = La, Pr, Nd and Sm) / N. C. Hyatt, J. A. Hriljac, T. P. Comyn // Mat. Res. Bull. – 2003. – Vol. 38. – P. 837–846. DOI: 10.1016/s0025-5408(03)00032-1Hyatt N. C., Hriljac J. A., Comyn T. P. Cation disorder in Bi2Ln2Ti3O12 Aurivillius phases (Ln = La, Pr, Nd and Sm). Materials Research Bulletin, 2003, vol. 38, pp. 837–846. DOI: 10.1016/s0025-5408(03)00032-1Ломанова, Н. А. Импедансная спектроскопия поликристаллических материалов на основе фаз Ауривиллиуса системы Bi4Ti3O12–BiFeO3 / Н. А. Ломанова, В. В. Гусаров // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2012. – Т. 3, № 6. – С. 112–122.Lomanova N. A., Gusarov V. V. Impedance spectroscopy of polycrystalline materials based on the Aurivillius phases of the Bi4Ti3O12–BiFeO3 system. Nanosystemy: phizika, khimiya, matematika = Nanosystems: physics, chemistry, mathematics, 2012, vol. 3, no. 6, pp. 112–122 (in Russian).Scott, J. F. Ferrolectric memories / J. F. Scott, C. A. Araujo // Science. – 1989. – Vol. 246. – P. 1400–1405. DOI: 10.1126/ science.246.4936.1400Scott J. F., Araujo C. A. Ferrolectric memorie. Science, 1989, vol. 246, pp. 1400–1405. DOI: 10.1126/science.246.4936.1400Lanthanum-subsituted bismuth titanate for use in non-volatile memories / B. H. Park [et al.] // Nature. – 1999. – Vol. 401. – P. 682–684. DOI: 10.1038/44352Park B. H., Kang B. S., Bu S. D., Noh T. W., Lee J., Jo W. Lanthanum-subsituted bismuth titanate for use in non-volatile memories. Nature, 1999, vol. 401, pp. 682–684. DOI: 10.1038/44352Lazarević, Z. An Approach to Analyzing Synthesis, Structure and Properties of Bismuth Titanate Ceramics / Z. Lazarević, B. D. Stojanović, J. A. Varela // Science of Sintering. – 2005. – Vol. 37. – P. 199–216. DOI: 10.2298/sos0503199lLazarević Z., Stojanović B. D., Varela J. A. An Approach to Analyzing Synthesis, Structure and Properties of Bismuth Titanate Ceramics. Science of Sintering, 2005, vol. 37, pp. 199–216. DOI: 10.2298/sos0503199lWu, D. Structural phase transition due to La substitution in Bi4Ti3O12 / D. Wu, B. Yang, A. Li. // Phase Transitions. – 2009. – Vol. 82, №. 2. – P. 146–155. DOI: 10.1080/01411590802524992Wu D., Yang B., Li A. Structural phase transition due to La substitution in Bi4Ti3O12. Phase Transitions, 2009, vol. 82, №. 2, pp. 146–155. DOI: 10.1080/01411590802524992Effect of Ce and La substitution on dielectric properties of bismuth titanate ceramics / N. Pavlović [et al.] // Ceramics International. – 2011. – Vol. 37. – P. 487–492. DOI: 10.1016/j.ceramint.2010.09.005Pavlović N., Koval V., Dusza J., Srdić V. V. Effect of Ce and La substitution on dielectric properties of bismuth titanate ceramics. Ceramics International, 2011, vol. 37, pp. 487–492. DOI: 10.1016/j.ceramint.2010.09.005Electrical Properties of Bismuth Titanate Based Ceramics with Secondary Phases / M. Villegas [et al.] // Journal of Electroceramics. – 2004. Vol. 13. – P. 543–548. DOI: 10.1007/s10832-004-5155-2Villegas M., Jardiel T., Caballero A. C., Fernandez J. F. Electrical Properties of Bismuth Titanate Based Ceramics with Secondary Phases. Journal of Electroceramics, 2004, vol. 13, pp. 543–548. DOI: 10.1007/s10832-004-5155-2Siriprapa, P. Effects of Mn-dopant on phase, microstructure and electrical properties in Bi3.25La0.75Ti3O12 ceramics / P. Siriprapa, A. Watcharapasorn, S. Jiansirisomboon // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39. – P. S355–S358. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.10.093Siriprapa P., Watcharapasorn A., Jiansirisomboon S. Effects of Mn-dopant on phase, microstructure and electrical properties in Bi3.25La0.75Ti3O12 ceramics. Ceramics International, 2013, vol. 39, pp. S355–S358. DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.10.093Kumar, S. Structural and dielectric properties of Bi4Ti2Nb0.5Fe0.5O12 ceramics / S. Kumar, K. B. R. Varma // Solid State Communication. – 2008. – Vol. 146. – P. 137–142. DOI: 10.1016/j.ssc.2008.02.004Kumar S., Varma K. B. R. Structural and dielectric properties of Bi4Ti2Nb0.5Fe0.5O12 ceramics. Solid State Communication, 2008, vol. 146, pp. 137–142. DOI: 10.1016/j.ssc.2008.02.004Синтез и свойства хромсодержащих твердых растворов титаната висмута со структурой типа слоистого перовскита / М. С. Королева [и др.] // Изв. Коми науч. центра УрО РАН. – 2012. – Вып. 1(9). – С. 24–28.Koroleva M. S., Piir I. V., Grass V. E., Beliy B. A., Korolev D. A., Chezhina N. V. Synthesis and Properties of ChromiumContaining Bismuth Titanate Solid Solutions with the Layered Perovskite Type Structure. Izvestiya Komi Nauchnogo Centra UrO RAN [Proceedings of Komi Scientific Centre of Ural Branch of Russian Academy of Sciences], 2012, Iss. 1(9), pp. 24–28 (in Russian).Диэлектрические свойства железосодержащих твердых растворов титаната висмута со структурой слоистого перовскита / М. С. Шашков [и др.] // Физика тв. тела. – 2015. – Т. 57, вып. 3. – С. 506–509.Shashkov M. S., Malyshkina O. V., Piir I. V., Koroleva M. S. Dielectric properties of iron-containing bismuth titanate solid solutions with a layer perovskite structure. Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, № 3, pp. 518–521. DOI: 10.1134/s1063783415030312Структура и физико-химические свойства твердых растворов Y2Ba1–xMxCuO5 (M – Sr, Ca) / А. И. Клындюк [и др.] // Неорган. материалы. – 1999. – Т. 35, № 5. – С. 616–620.Klyndyuk A. I., Petrov G. S., Poluyan A. F., Bashkirov L. A. Structure and physicochemical properties of Y2Ba1–xMxCuO5 (M–Sr, Ca) solid solutions. Inorganic Materials, 1999, vol. 35, № 5, pp. 512–516.Клындюк, А. И. Влияние замещения висмута неодимом и железа марганцем на диэлектрические свойства перовскитного феррита висмута / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. хім. навук. – 2015. – № 1. – С. 7–11.Klyndyuk A. I., Chizhova E. A. Effect of bismuth substitution by neodymium and of iron substitution by manganese on the dielectric properties of perovskite bismuth ferrite. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya khimichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Chemical Series, 2015, no. 1, pp. 7–11 (in Russian).Клындюк, А. И. Структура, тепловое расширение и электрические свойства твердых растворов системы BiFeO3–NdMnO3 / А. И. Клындюк, Е. А. Чижова // Неорган. материалы. – 2015. – Т. 51, № 3. – С. 322–327.Klyndyuk A. I., Chizhova E. A. Structure, Thermal Expansion and Electrical Properties of BiFeO3–NdMnO3 Solid Solutions. Inorganic Materials, 2015, vol. 51, № 3, pp. 272–277. DOI: 10.1134/s0020168515020090Shannon, R. D. Revised values of effective ionic radii / R. D. Shannon, C. T. Prewitt // Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry. – 1970. – Vol. 26, N. 7, P. 1046–1048. DOI: 10.1107/s0567740870003576Shannon R. D., Prewitt C. T. Revised values of effective ionic radii. Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry, 1970, vol. 26, no. 7, pp. 1046–1048. DOI: 10.1107/s0567740870003576Hydrothermal synthesis and characterization of Bi4Ti3O12 powders / Z. Chen [et al.] // J. Сeram. Soc. Jap. – 2009. – Vol. 117, № 3. – P. 264–267. DOI: 10.2109/jcersj2.117.264Chen Z., Yu Y., Hu J., Shui A., He X. Hydrothermal synthesis and characterization of Bi4Ti3O12 powders. Journal of Сeramic Society of Japan, 2009, vol. 117, no. 3, pp. 264–267. DOI: 10.2109/jcersj2.117.264Effect of processing route on the phase formation and properties of Bi4Ti3O12 ceramics / B. D. Stojanovic [et al.] // Ceram. Int. – 2006. – Vol. 32. – P. 707–712. DOI: 10.1016/j.ceramint.2005.05.007Stojanovic B. D., Simoes A. Z., Paiva-Santos C. O., Quinelato C., Longo E., Varela J. A. Effect of processing route on the phase formation and properties of Bi4Ti3O12 ceramics. Ceramics International, 2006, vol. 32, pp. 707–712. DOI: 10.1016/j. ceramint.2005.05.007Kim, S. K. Electrical anisotropy and a plausible explanation for dielectric anomaly of Bi4Ti3O12 single crystal / S. K. Kim, M. Miyayama, H. Yanagida // Mat. Res. Bull. – 1996. – Vol. 31, № 1. – P. 121–131. DOI: 10.1016/0025-5408(95)00161-1Kim S. K., Miyayama M., Yanagida H. Electrical anisotropy and a plausible explanation for dielectric anomaly of Bi4Ti3O12 single crystal. Materials Research Bulletin, 1996, vol. 31, no. 1, pp. 121–131. DOI: 10.1016/0025-5408(95)00161-1Dielectric and mechanoelastic relexations due to point defects in layered bismuth titanate ceramics / B. Jimenez [et al.] // J. of Phys.: Cond. Matter. – 2001. – Vol. 13. – P. 7315–7326. DOI: 10.1088/0953-8984/13/33/312Jimenez B., Jimenez R., Castro A., Millan P., Pardo L. Dielectric and mechanoelastic relexations due to point defects in layered bismuth titanate ceramics. Journal of Physics: Condensed Matter, 2001, vol. 13, pp. 7315–7326. DOI: 10.1088/09538984/13/33/312

The authors declare that there are no conflicts of interest present.