Synthesis and characterization of Fe3+ doped PbTiO3 nanopowders

Abstract

A set of Fe3+- modified PbTiO3 nanopowders which is a widely used ferro- and piezo-electric ceramic material has been synthesized according to the combined polymerization and pyrolysis (CPP) route of metallorganic precursors with subsequent calcination at various temperatures. This study aimed to shift the unit cell of PbTiO3 crystals from tetragonal to cubic phase at room temperature by adjusting the optimum reaction time and temperature by doping 0,025 mole % Fe3+and by ball milling the yield. Different reaction temperatures (300-900°C) are tried for the most efficient energy / grain size ratio.In order to obtain PbTiO3 crystals, an organo-metallic sol-gel precursor is used. By applying proper thermal treatment and synthesis route, grain size reduction is succeeded in the order of nanometers (10 ? 400nm range). X-Ray Diffraction and Raman characterization are used to calculate the unit cell parameters, to confirm material identity and purity, as well as to verify the formation of a PbTiO3 perovskitic phase and the existence of ferroelectricity.Furthermore, the prevailing defect structure has been investigated by means of electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The EPR results clearly indicate marked size effects by approaching to the critical grain size (dcrit < 12 nm) at which a size-driven tetragonal-to-cubic phase transition is observed at room temperature. As a function of mean grain size, either ( ) defect dipoles or 'isolated' defects are formed. These results are analyzed in terms of a core-shell model. Accordingly, the obtained Fe3+-modified PbTiO3 nanoparticles consist of a ferroelectric core, a distorted interface region, and a cubic dead layer which is paraelectric.

Ferroelektrik ve piezoelektrik özellikleri ile bilinen bir seramik malzeme olan kurşun titanatın (PbTiO3) eser miktarda Fe3+ karıştırılmış nano tozlarının sentezi ardışık polimerizasyon ve piroliz yöntemi ile farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ana amacı reaksiyon koşullarını optimize ederek oda sıcaklığında nano boyutta kübik kristal yapısını elde etmeye çalışmaktır. Bu esnada en az energy ile küçük parçacık boylarını elde etmek amaçlı, molar yüzdede %0,025 Fe3+ kullanılarak 300°C ila 900°C arasındaki sentez sıcaklıkları denenmiştir.PbTiO3 'in sentezinde başlangıç malzemelesi olarak organometalik öncü hazırlanmıştır. Gerekli reaksiyon şartları sonrasında boyutları 10 nanometre ile 400 nanometre arasında çeşitli kristaller sentezlenmiştir. Ürün analizi için kullanılan karakterizasyon tekniklerinden XRD ve Raman karakterizasyonu sayesinde, kristal parametreleri hesaplanmış, ürün yapısı ve saflığı teyit edilmiş ve de ferroelektrik özellikte perovskit yapısında PbTiO3 elde edildiği anlaşılmıştır.Ayrıca, yapıdaki demirden kaynaklanan bozukluk elektron paramanyetik resonans tekniğiyle (EPR spektroskopisi) araştırılmıştır. Bu metotla yapının büyüklüğü kritik büyüklük olan ve tetragonal fazdan kübik faza geçişin olduğu 12 nanometreye doğru azaldıkça kristal yapısında oluşan etkiler gözlemlenmiştir. Yapının büyüklüğüne göre ya ( ) defekt yapı dipolü ya da izole kusur olan bölgesi görülür. Bu sonuçlar çekirdek ve dış kabuk teorisi ile açıklanmaktadır. Bu teoriye göre, elde ettiğimiz Fe3+ ile karıştırılmış PbTiO3 nanoparçacıkları ferroelektrik bir çekirdeğe, bozunmuş bir arayüze ve de en dışta paraelektrik olan pasif katman yapısına sahiptir.