Efeitos da Dopagem Aliovalente com Ba+2 no sistema Bi5Ti3FeO15: estrutura de defeitos e influência nas propriedades ferroicas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Barbosa, Vitor
Orientador(a): Zabotto, Fabio lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22786
Resumo: Multiferroic systems have attracted increasing attention because they allow the coexis tence of properties such as ferroelectricity and magnetism in a single material. Among them, Bi5Ti3FeO15 (BFT4), a member of the four-layer Aurivillius family composed of perovskite blocks interspersed with fluorite-like layers, stands out for exhibiting multiferroicity at room temperature. Consequently, the search for structural modification strategies at the atomic level has intensified in recent years, aiming to understand and control the physical behavior of these materials. In this work, we investigate the effects of alliovalent substitution of Bi3+ by Ba2+ in the BFT4 system, focusing on understanding how local distortions and changes in the defect structure influence its electrical and ferroic properties. Samples with different atomic substitution contents (0,0%, 0,6%, 3,0%, and 4,0%) were sintered via solid-state reaction and characterized by X-ray diffraction, dilatometry, impedance spectroscopy, ferroelectric hysteresis measurements, and magnetometry. From a structural point of view, Ba2+ incorporation was shown to be viable up to approximately 4%. Crystallographic refinement revealed a preferential redistribution of barium ions between the fluorite and perovskite layers, with an increasing tendency to occupy the perovskite as the doping level increased. This behavior was associated both with the relief of the internal strain generated by the mismatch between the layers and with an increased concentration of defects in this region. As the barium content increased, a progressive symmetrization of the structure was observed, accompanied by a reduction in spontaneous polarization, partially compensated by cationic disorder, and a gradual decrease in the paraelectric-ferroelectric transition temperature. As predicted by the charge compensation mechanism, impedance spectroscopy measurements indicated a progressive increase in the concentration of oxygen vacancies, reflected in the increased ionic conductivity of the system. These defects showed a strong impact on the ferroelectric behavior, acting as domain pinning centers, as evidenced by the P–E curves and dielectric responses. Finally, the nature of the magnetic interactions, predicted by the antisymmetric exchange interaction, proved sensitive to the structural modifications induced by doping, since symmetrization favored the modulation of the magnetic properties. In summary, the results demonstrate that Ba2+ doping constitutes an effective route for engineering the ferroic properties of BFT4, through both structural distortions and controlled creation of defects, contributing to a more comprehensive understanding of the multiferroicity in this system.
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Consequently, the search for structural modification strategies at the atomic level has intensified in recent years, aiming to understand and control the physical behavior of these materials. In this work, we investigate the effects of alliovalent substitution of Bi3+ by Ba2+ in the BFT4 system, focusing on understanding how local distortions and changes in the defect structure influence its electrical and ferroic properties. Samples with different atomic substitution contents (0,0%, 0,6%, 3,0%, and 4,0%) were sintered via solid-state reaction and characterized by X-ray diffraction, dilatometry, impedance spectroscopy, ferroelectric hysteresis measurements, and magnetometry. From a structural point of view, Ba2+ incorporation was shown to be viable up to approximately 4%. Crystallographic refinement revealed a preferential redistribution of barium ions between the fluorite and perovskite layers, with an increasing tendency to occupy the perovskite as the doping level increased. This behavior was associated both with the relief of the internal strain generated by the mismatch between the layers and with an increased concentration of defects in this region. As the barium content increased, a progressive symmetrization of the structure was observed, accompanied by a reduction in spontaneous polarization, partially compensated by cationic disorder, and a gradual decrease in the paraelectric-ferroelectric transition temperature. As predicted by the charge compensation mechanism, impedance spectroscopy measurements indicated a progressive increase in the concentration of oxygen vacancies, reflected in the increased ionic conductivity of the system. These defects showed a strong impact on the ferroelectric behavior, acting as domain pinning centers, as evidenced by the P–E curves and dielectric responses. Finally, the nature of the magnetic interactions, predicted by the antisymmetric exchange interaction, proved sensitive to the structural modifications induced by doping, since symmetrization favored the modulation of the magnetic properties. In summary, the results demonstrate that Ba2+ doping constitutes an effective route for engineering the ferroic properties of BFT4, through both structural distortions and controlled creation of defects, contributing to a more comprehensive understanding of the multiferroicity in this system.Sistemas multiferroicos têm atraído atenção crescente por permitirem a coexistência de propriedades como ferroeletricidade e magnetismo em um único material. Entre eles, o Bi5Ti3FeO15 (BFT4), membro da família Aurivillius com quatro camadas, composta por blocos perovskita intercalados por camadas tipo fluorita, se destaca por exibir multiferroicidade à temperatura ambiente. Como consequência, intensificou-se nos últimos anos a busca por estratégias de modificação estrutural em nível atômico, com o objetivo de compreender e controlar o comportamento físico desses materiais. Neste trabalho, investigam-se os efeitos da substituição aliovalente de Bi3+ por Ba2+ no sistema BFT4, com foco em entender como distorções locais e alterações na estrutura de defeitos influenciam suas propriedades elétricas e ferroicas. Amostras com diferentes teores de substituição atômica (0,0%, 0,6%, 3,0% e 4,0%) foram sinterizadas via reação de estado sólido e caracterizadas por difração de raios X, dilatometria, espectroscopia de impedância, medidas de histerese ferroelétrica e magnetometria. Do ponto de vista estrutural, a incorporação de Ba2+ mostrou-se viável até aproximadamente 4%. O refinamento cristalográfico revelou uma redistribuição preferencial dos íons de bário entre as camadas fluorita e perovskita, com tendência crescente de ocupação da primeira à medida que aumenta a dopagem. Esse comportamento foi associado tanto ao alívio do strain interno gerado pelo mismatching entre as camadas quanto ao aumento da concentração de defeitos nessa região. Com o aumento do teor de bário, observou-se uma simetrização progressiva da estrutura, acompanhada por redução da polarização espontânea, parcialmente compensada pela desordem catiônica, e pela diminuição gradual da temperatura de transição paraelétrica-ferroelétrica. Como previsto pelo mecanismo de compensação de carga, medidas de espectroscopia de impedância indicaram um aumento progressivo da concentração de vacâncias de oxigênio, refletido no aumento da condutividade iônica do sistema. Tais defeitos mostraram forte impacto sobre o comportamento ferroelétrico, atuando como centros de ancoragem de domínios, conforme evidenciado pelas curvas P–E e pelas respostas dielétricas. Por fim, a natureza das interações magnéticas, previstas pela interação de troca antissimétrica, revelou-se sensível às modificações estruturais induzidas pela dopagem, uma vez que a simetrização favoreceu a modulação das propriedades magnéticas. Em síntese, os resultados demonstram que a dopagem com Ba2+ constitui uma rota eficaz para a engenharia das propriedades ferroicas do BFT4, por meio tanto das distorções estruturais quanto da criação controlada de defeitos, contribuindo para uma compreensão mais abrangente da multiferroicidade nesse sistema.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.912727/2023-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMultiferroicoMagnetoelétricoDopagemAliovalenteAurivilliusCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::MATERIAIS DIELETRICOS E PROPRIEDADES DIELETRICASEfeitos da Dopagem Aliovalente com Ba+2 no sistema Bi5Ti3FeO15: estrutura de defeitos e influência nas propriedades ferroicasEffects of Ba+2 Alliovalent Doping on the Bi5Ti3FeO15 system: defect structure and influence on ferroic propertiesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdfDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdfapplication/pdf54127553https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/aa8e14cc-3fdb-46a9-b486-142f2a1df0eb/download6e8a56a90665489afe17f238727a3897MD53trueAnonymousREADTEXTDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdf.txtDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdf.txtExtracted texttext/plain103747https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/84bde0c9-6b77-4f8c-a78f-a4c18c4d609a/downloadc5e7426878cb66dd424c92e5e2facf36MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdf.jpgDissertação_Vitor Melo Frata Barbosa.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4848https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/22d3d168-996c-4af8-adaf-522519bb4816/downloadaaf97b81b751f556d34bb8131bc0ced7MD55falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/4d04848c-2819-4aec-9ede-15a561c6ed81/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD52falseAnonymousREAD20.500.14289/227862025-09-19T03:02:21.717448Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22786https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-09-19T03:02:21Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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