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Al 도핑된 BiFeO3 분말의 국부 구조에 대한 싱크로트론 X선 흡수 분광법 연구

초록

Al 도핑된 BiFeO3 , 즉, BFAx O x가 있는 분말 샘플 =0, 0.025, 0.05 및 0.1은 열수 경로를 통해 준비되었습니다. BFAx의 구조적, 전기적, 광학적 특성에 대한 Al 치환의 영향 O 샘플을 조사했습니다. BiFeO3의 B-site에서 Al 이온의 치환이 발견됨 구조적 변화를 일으키지 않았으며 R3c와 함께 능면체 페로브스카이트 구조를 여전히 유지합니다. 대칭성은 X선 회절(XRD) 및 라만 측정에 의해 확인되었습니다. Fe K 위의 X선 흡수 미세 구조(XAFS) -엣지 및 Bi L 3 -BFAx의 가장자리 O 분말도 측정 및 분석했습니다. Fe 이온은 혼합 원자가 상태를 나타냅니다(Fe 2+ /Fe 3세 이상 ) Bi 이온은 모든 샘플에서 + 3 원자가 상태를 유지합니다. 페 케이 -edge XAFS는 또한 Fe 3d의 혼성화 사이에 경쟁이 있음을 나타냈습니다. 및 Al 3d O 2p와 함께 더 많은 4p의 오비탈 및 발생 Al 도핑이 있는 오비탈. 비 L 3 -edge XAFS는 2p에서 그 전환을 밝혔습니다. 3/2 6d까지 상태가 증가하고 6d의 에너지도 증가했습니다. 상태. 게다가, Al 이온 도핑은 Fe 원자의 가장 가까운 이웃 및 가장 가까운 배위 껍질과 Bi 원자의 가장 가까운 이웃 껍질 모두에 영향을 미쳤습니다. 자외선 가시광선(UV-Vis) 분광법 결과는 BFAx를 보여줍니다. 열수법으로 제조된 O는 적절한 가시광선 광촉매 재료가 될 수 있습니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

다강체는 강유전성, 강자성, 강탄성 등의 강성을 동시에 나타내는 물질이다[1]. 이러한 물질은 외부 전기장의 적용으로 또는 그 반대의 경우 제어할 수 있는 전기 분극과 같은 흥미로운 거동을 보여줍니다. 이러한 물질에 대한 관심은 화학 바이오센서, 나노전자 및 고밀도 데이터 저장 장치 등에 폭넓게 적용되기 때문입니다[2, 3]. 페로브스카이트 구조의 일반식은 ABO3입니다. , 여기서 O는 이온(일반적으로 산소를 나타냄)이고 A와 B는 각각 양이온입니다. 일반적으로 A 자리 양이온은 O 2- 와 결합하는 원자가 상태가 낮을수록 더 커집니다. 조밀한 층을 형성하기 위해(즉, 단위 셀의 모서리에서). B-사이트 양이온은 원자가 상태가 높을수록 더 작아서 산소 팔면체 배위 환경(즉, 산소 음이온 팔면체의 중심)에 채택될 수 있습니다[4]. 정의에 따르면 거의 모든 다중 강자는 전이 온도가 낮은 반강자성(AFM) 또는 약한 강자성(FM)입니다. 그들은 단상과 복합의 두 가지 클래스로 나뉩니다. 그러나 강유전체(FE)와 FM 특성을 동시에 나타내는 단상 다강성 물질은 자연계에서 거의 발견되지 않습니다[5]. 오늘날 알려진 모든 다강성 물질 중에서 비스무트 페라이트(BiFeO3; BFO)는 극성 공간 그룹 R3c를 갖는 능면체 왜곡 페로브스카이트 격자 유형을 갖는 단상 재료 중 하나입니다. . BFO는 퀴리 온도가 T인 두 FE를 모두 보여줍니다. C Neel 온도가 T인 ≈ 1103 k 및 G형 원자현미경 주문 N ≈ 643 k 실온(RT)보다 높습니다[6]. 이 물질은 [111]c를 따라 AFM G형 스핀 구성을 나타냅니다. 또는 [001]h 유사 입방체 또는 능면체 구조의 방향이며 [110]h RT에서 축 [7]. 그것은 약 90 μC/cm 2 의 큰 고유 자발적 분극을 가지고 있습니다. 팔면체 FeO6의 왜곡에 기인 , 6개의 s가 있기 때문에 2 고독한 전자쌍[8]. 또한 FE와 자기 차수 매개변수 사이에는 자기전기적 결합이 있습니다. FE 속성은 고립 전자쌍에 의존하고 FM 속성은 부분적으로 채워진 내부 껍질에 의존합니다. /P>

불행히도 BFO의 주요 단점은 비스무트 및 산소 결손, 불순물 상, 철의 원자가 변동 및 열악한 계면 품질과 같은 전하 결함으로 인한 낮은 저항률 또는 큰 누설 전류입니다[9]. 또한 Bi2와 같은 일부 불순물 상으로 인해 고품질의 BFO를 얻기가 어렵습니다. Fe4 O9 (우주군 Pbam ) 및 Bi25 FeO39 (우주군 I23 ). 제조과정에서 불순물이 발생하는 것은 불가피합니다. 이러한 문제와 한계를 해결하기 위해 여러 연구 그룹은 변형 변형, 2가 및 희토류 이온 도핑의 대체와 같은 BFO의 결함을 극복하기 위해 다양한 방법을 사용하고 있습니다. 이제 이 연구 분야에서 A 사이트 또는 B 사이트에서 희토류 원소 또는 전이 금속 이온 도핑 또는 A 및 B 사이트에서 공동 도핑을 통해 BFO의 다강 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 희토류 원소로 도핑하면 페로브스카이트 구조를 안정화하고 비중칭성을 유지하며 Bi 3+ 의 기화를 제어할 수 있습니다. 이온 [10]. 전이 금속 이온으로 도핑하면 Fe 3+ 의 원자가 변동을 줄일 수 있습니다. 이온. A-site 치환을 위한 Pr, Sm, Eu, Gd, La[11, 12]와 B-site 치환을 위한 Mn, Cr, Ti[13,14,15]와 같은 원소는 이미 보고되었습니다. 또한, 자기, 유전 및 강유전체 특성은 공동 도핑으로 향상될 수 있습니다. BFO의 A 사이트와 B 사이트의 공동 도핑에 대해 La-Gd, Ba-Ni, Dy-Cr, Y-Mn 및 Tb-Ti가 보고되었습니다[16,17,18,19,20]. 지금까지 sol-gel[21], mechanochemical[22], auto-combustion[23], pulsed laser deposition[24], 및 열수[25, 26]는 BFO를 제조하는 것으로 보고되었습니다. 열수법은 에너지 절약, 미세 분산, 저렴한 비용 및 작은 입자 크기 특성으로 인해 널리 적용되었습니다[27]. 반응 온도는 BFO를 형성할 만큼 충분히 높아야 하며 샘플 준비 중에 2차 상을 제거하는 데에도 사용해야 합니다. BFO의 A-사이트와 B-사이트 모두에 도핑된 Al에 대한 대부분의 이전 연구는 Azam 등[28]에 의해 구조적, 광학적 및 수송 특성에 대해 조사되었습니다. Madhu et al. [29]는 B-site Al이 도핑된 BFO의 광촉매 응용을 보고했다. Jawad et al.의 또 다른 보고서. [30]은 나노구조 BFO 세라믹의 유전체 거동을 조사했습니다. Wang et al. [31]은 Al이 도핑된 BFO의 중공 결정을 자세히 연구했습니다. 그러나 재료의 국부적 전자 구조에 대한 B-사이트 도핑 효과와 같은 일부 중요한 물리적 특성은 여전히 ​​이해가 부족합니다. 현재 단계에서 X선 ​​흡수 미세 구조 분광법(XAFS)은 원자의 국부 환경을 연구하는 강력한 방법 중 하나이며 흡수 에너지, 원소 원자가 상태, 전하 이동, 및 결합 유형 [32]. 우리가 아는 한, XAFS에 의한 BFO 조사의 국부적 전자 구조에 대한 B 사이트의 Al 도핑 효과에 대한 보고서는 발견되지 않았습니다.

이 작업에서 도핑되지 않은 BFO와 타겟 ​​조성 BiFe1-x x O3 (BFAx O) x =0, 0.025, 0.05 및 0.1은 열수 경로를 통해 합성되었습니다. 주요 초점은 도핑되지 않은 BFO와 비교하여 BFO의 특성에 대한 B 사이트의 Al 도핑 효과에 대한 조사입니다. 구조적 특성을 자세히 조사했습니다.

방법

열수법은 도핑되지 않은 BFO와 BFA를 얻기 위해 사용되었습니다.x 오 샘플. 이 작업에 사용된 화학 시약은 bismuth nitrate(Bi(NO3 )3 ·5H2 O), 질산철(Fe(NO3) )3 ·9H2 O), 질산알루미늄(Al(NO3 )3 ·6H2 O), 및 수산화칼륨(KOH). 모든 화학 시약은 추가 정제 없이 받은 그대로 사용했습니다. Bi(NO3 )3 ·5H2 O 및 Fe(NO3 )3 ·9H2 O는 원료로 사용되었으며 Al(NO3 )3 ·6H2 O 및 KOH는 첨가제로 사용되었습니다. 탈이온수는 모든 수용액을 만드는 데 사용되었습니다. BFO 분말을 준비하기 위한 일반적인 실행은 다음과 같습니다. 각 Bi(NO3 20 mL )3 ·5H2 O, Fe(NO3 )3 ·9H2 O 및 Al(NO3 )3 ·6H2 O를 80mL 스테인리스강 오토클레이브에 넣고 잘 혼합하였다. 그 후 이전 혼합용액에 적당량의 KOH용액을 부피의 65~80%가 채워질 때까지 천천히 적하하고 강력자석교반장치에 옮겨 80℃에서 2~3시간 교반하였다. 명확한 해결책을 얻으십시오. 방법 절차에 따라 얻은 암갈색 용액을 테플론 라이닝된 스테인리스강 오토클레이브에 옮겼습니다. 열수처리는 200 °C의 온도에서 10 시간 동안 자생압력 하에서 수행되었다. 가열 속도는 2 °C/min이었다. 열수 반응이 완료된 후, 생성된 생성물을 자연적으로 실온으로 냉각시켰다. 이어서, 생성된 분말을 수집하고 용액의 pH 값이 7에 도달할 때까지 아세톤, 탈이온수 및 에탄올로 여러 번 세척하였다. 마지막으로, BFAx O 분말을 70 °C에서 6 시간 동안 항온조 건조 오븐에 넣은 다음 추가 특성화를 위해 건조했습니다. 우리는 BFAx 샘플 4세트를 준비했습니다. O Al(NO3의 농도를 변화시킴) )3 ·6H2 0–0.1 M.

BFAx의 결정 구조 O 샘플은 X선 회절(XRD, Mac Science M18XHF22-SRA)에 의해 결정되었습니다. Ar+ 레이저의 방사선을 이용한 라만 분광법(Renishaw InVia Reflex)을 사용하여 실온에서 분말의 구조적 특성을 결정했습니다. XAFS 데이터는 중국 BSRF(Beijing Synchrotron Radiation Facility)의 빔라인 1W2B에서 다양한 농도의 전송 모드에서 수집되었습니다. 페 케이 - 에너지 분해능이 ΔE인 에지 스펙트럼 / :2 × 10 −4 그리고 비 L 3 - 에너지 분해능이 ΔE인 에지 스펙트럼 / :1 × 10 −4 BFAx에 대해 측정되었습니다. RT에서 O 샘플. 최상의 XAFS 데이터를 얻으려면 BFAx O 분말을 마노 모르타르에서 분쇄한 다음 BN과 혼합하고 최종적으로 펠렛으로 압착하였다. XAFS 데이터 처리 소프트웨어인 ATHENA에 의해 흡수 스펙트럼의 배경 보정, 정규화, pre-edge 및 post-edge 영역이 IFEFFIT 프로그램 [33] 내에서 적합되었습니다. E 값은 에지 영역의 1차 도함수의 최대값에 의해 결정되었습니다. 우리는 χ를 추출했습니다. ( ) 프로필의 k 0–12 Å −1 의 공간 . 3 × χ ( ) 프로필은 푸리에가 R로 변환되었습니다. Hanning 창 함수를 사용하여 0–8 Å의 공간. Fe2 O3 및 Bi2 O3 기준 화합물로 측정되었습니다. 분말의 광학적 특성은 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis, UV 3900H)를 이용하여 평가하였다. 이 작업에서 조사는 0 ≤ x의 낮은 도핑 농도로 제한됩니다. ≤ 0.1.

결과 및 토론

도핑되지 않은 BFO의 XRD 패턴(x =0) 및 BFAx O 분말, 2θ에서 스캔 15-60°의 값은 그림 1에 나와 있습니다. 그림 1a에서 XRD 패턴의 전체 스펙트럼은 모든 샘플이 해당 능면체 왜곡 페로브스카이트 구조의 표준 회절 데이터로 식별될 수 있음을 나타냅니다(JCPDS 카드 파일 번호 20 -0169, 우주군:R3c ). 또한 모든 샘플이 소량의 2차 상의 깔끔한 회절 패턴을 나타냄을 알 수 있습니다. 2차 상의 흔적은 27.6° 및 32.8°에서 볼 수 있습니다(Bi2의 경우 "*"로 표시됨). Fe4 O9 Bi25의 경우 "#" FeO40 ) x =0.5 및 x =높은 소결 온도에서 Bi의 휘발 특성으로 인해 발생할 수 있는 샘플 0.1개 [34]. 이것은 다른 경로로 합성된 BFO 분말에서 종종 관찰됩니다[35,36,37]. 2차상은 높은 도핑 값에서 지속적으로 증가하는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 Fe에 대한 B-사이트 Al 치환은 BFO의 순수한 상을 촉진할 수 없습니다. 그러나 샘플의 전기적 특성은 영향을 받지 않습니다. 그림 1a에서 도핑된 샘플의 모든 회절 피크가 먼저 더 높은 2θ로 이동함을 알 수 있습니다. Al 도핑 값. 명확성을 위해 2θ의 XRD 패턴의 일부 21 ~ 24°의 영역은 그림 1b에서 증폭됩니다. 회절 피크의 이 확대도에서 (101) 회절 피크가 높은 2θ 쪽으로 분명한 이동을 가짐을 관찰할 수 있습니다. Al이 BFO의 B-site에 성공적으로 도핑되었음을 확인하는 undoped BFO에 대한 값. 도핑되지 않은 BFO와 유사하게 도핑된 샘플의 (101) 회절 피크는 더 높은 2θ 값을 먼저 입력한 다음 하위 2θ에서 작은 이동 x일 때의 값 =0.1(점선으로 둘러싸여 있음), 그림 1c에 표시된 대로. 37–40°, 50–52° 및 55–57° 주변의 확대된 XRD 패턴이 그림 1d에 나와 있습니다. XRD 스펙트럼에는 (003) 및 (021), (113) 및 (211), (104) 및 (122) 쌍정이 있습니다. Al 함량이 증가하면 이러한 피크의 강도가 먼저 증가하고 x일 때 감소합니다. 0.1에 도달합니다. 알다시피 피크의 강도는 일반적으로 결정도와 관련이 있습니다. 회절 피크의 감소는 BFAx의 결정도를 나타냅니다. O가 감소합니다. Al 3+ 이후 (0.51 Å)은 Fe 3+ 보다 이온 반경이 ​​더 작습니다. (0.65 Å), 도핑량이 적으면 BFO 격자에 쉽게 결합되지만 과도한 도핑 이온은 BFO 격자를 불안정하게 만든다. 감소된 결정도는 Al이 결정립의 성장을 억제하는 더 많은 핵형성 사이트의 생성을 선호한다는 사실 때문일 수 있습니다. 감소된 결정도는 다른 Al 도핑된 BFO에서도 발견되었습니다[28, 30]. 반면에 이것은 산소 결손의 생성과 일부 Fe 3+ 의 변형이 있는 경우 발생할 수 있습니다. Fe 2+ 까지 Al 3+ 에 의해 시스템에서 생성된 전하 불균형으로 인해 치환. 유사한 현상이 Sr 도핑된 BFO에서 관찰되었습니다[38]. 회절 피크의 이동은 Fe 3+ 에 비해 Al의 이온 반경이 ​​작기 때문에 단위 셀 수축에 기인할 수 있습니다. . XRD의 결과는 3가 Al 3+ BFO의 대체는 관찰 가능한 구조적 변형으로 이어지지 않습니다.

<그림>

BFAx의 XRD 패턴 O (0 ≤ x ≤ 0.1). 21–24° 범위의 XRD 패턴 확대 보기. (101) Al 농도의 함수로서의 피크 위치. d 37–40°, 50–52° 및 55–57° 부근에서 확대된 XRD 패턴

XRD로 확인된 구조는 라만 활성 모드의 위치와 강도로도 특징지을 수 있다. 라만 스펙트럼은 원자 변위와 분포에 민감합니다. 도핑되지 않은 BFO 및 BFAx의 라만 산란 스펙트럼 O 분말은 그림 2에 나와 있습니다. 그룹 이론에 기초하여 13개의 광-포논 라만 활성 모드와 5개의 비활성 모드(즉, 5A 2 )의 BFO는 공간군이 R3c인 능면체 왜곡 페로브스카이트에 대해 예측됩니다. [39]. 페로브스카이트 R3c의 격자 진동에 대한 이론적 분석 구조는 다음과 같습니다.

$$ {\varGamma}_{R3c}=4{A}_1\left(z,\kern0.5em {x}^2,{y}^2,\kern0.5em {z}^2\right)+ 5{A}_2\left(-\right)+9E\left(x,\kern0.5em y,\kern0.5em {x}^2-{y}^2,\kern0.5em xy,\kern0. 5em xz,\kern0.5em y\right) $$ (1) <그림>

BFAx의 라만 스펙트럼 O (0 ≤ x ≤ 0.1). 50–100 cm −1 범위의 확대된 라만 스펙트럼 및 c 125–200 cm −1

여기서 A 세로 광학(LO) 모드 및 E 는 가로 광학 모드(TO)입니다. 그림 2a에 표시된 전체 스펙트럼에서 RT에서 명확하게 보이는 라만 활성 모드의 수는 예상보다 훨씬 적습니다. 이 작업에서 우리는 6개의 라만 활성 모드(3A 1 (LO) + 3E (TO)) BFAx 오 가루. 이것은 스펙트럼의 대역 사이의 우발적 퇴화와 배경 잡음[40]에서 약한 대역을 구별할 수 없는 능력 또는 샘플의 유전 누설 때문일 수 있습니다. 도핑되지 않은 BFO의 경우 68.7 cm −1 에서 강력하고 넓은 피크 , 127.3 cm −1 및 164.9 cm −1 A에게 할당되었습니다. 1 -1(LO), A 1 -2(LO) 및 A 1 -3(LO) 모드. 204.7 cm −1 에서 피크 , 220.2 cm −1 및 251.8 cm −1 E에 할당되었습니다. -1(TO), E -2(TO) 및 E -3(TO) 모드 각각(그림 2의 표 1 참조). 스펙트럼에서 이러한 E (TO) 모드는 보이지 않습니다. A 1 -1(LO) 모드는 Bi-O 결합에 기인하는 반면 기울기 A 1 -3(LO) 모드는 FeO6로 간주됩니다. 팔면체. (TO) 모드는 Fe-O 진동에 할당됩니다[41]. 라만 결과는 준비된 도핑되지 않은 BFO가 공간군 R3c를 갖는 능면체 왜곡 페로브스카이트 구조에 속함을 확인합니다. . 4개의 샘플 모두 유사한 라만 패턴 및 진동 모드를 보여줍니다. 이것은 동일한 능면체 R3c를 나타냅니다. 그러나 그 강도와 빈도는 다소 달랐다. BFAx 라만 패턴의 전체적인 모습 O 샘플, A의 피크 위치 1 -1(LO) 모드는 더 높은 주파수로 약간 이동하고 피크 A 1 -3(LO) 모드가 확장되어 도펀트 Al이 BFO의 B 사이트로 이동함을 나타냅니다. E의 강도 -1(TO), E -2(TO) 및 E -3(TO) 모드는 도핑된 샘플에 대해 약간 증가하는 것으로 나타났습니다. 명확성을 위해 A 1 -1(LO) 및 A 1 50–100 cm −1 영역의 -3(LO) 모드 및 125–200cm −1 그림 2b 및 c에 나와 있습니다. 이 확대된 스펙트럼에서 A 1 -1(LO) 모드는 Al 함량이 증가함에 따라 더 높은 주파수로 약간의 이동을 나타냅니다. 도핑되지 않은 BFO와 비교하여 A의 피크는 1 -3(LO) 모드는 도핑된 샘플에 대해 확장되었습니다. A의 작은 변화 1 -1(LO) 모드, A의 약간 확장 1 -3(LO) 모드 및 일부 E의 강도 변경 (TO) 모드는 Bi-O 및 Fe-O 공유 결합의 변화와 Al 도핑된 샘플의 압축 응력과 관련될 수 있습니다[42, 36]. 반면에 위의 모든 변경 사항은 B 사이트 Fe 3+ 이온이 부분적으로 Al 3+ 로 대체되었습니다. 이온. 분명히 이러한 라만 결과는 XRD 관찰과 일치합니다. Goldschmidt 공차 계수(t )는 결정 구조의 기하학적 안정성과 왜곡을 평가하는 데 널리 사용됩니다[43]. 여기서 t 는 다음과 같이 세 종류의 이온 반경의 비율로 정의됩니다.

$$ t=\frac{\left({r}_{\mathrm{A}}+{r}_{\mathrm{O}}\right)}{\sqrt{2}\ \left({r} _{\mathrm{B}}+{r}_{\mathrm{O}}\right)} $$ (2)

여기서 r A Bi 3+ 의 반경입니다. , r Fe 3+ 의 평균 반경입니다. 및 Al, 및 r 반지름은 O 2- 입니다. . 그러나 Al 및 Fe의 반지름 3+ 0.51 Å 및 0.65 Å인 반면 Bi 3+ 및 O 2- 반지름은 각각 1.03 Å(참고문헌 [44]에 따름) 및 1.38 Å입니다. 연구된 페로브스카이트 복합 재료 BFAx에 대한 값 O는 x에 대해 0.839, 1.001, 1.001 및 1.003인 것으로 확인되었습니다. =0, 0.025, 0.05, 0.1입니다(그림 2의 표 1 참조). 이상적인 ABO3 화합물은 값이 t일 때 입방 밀집 구조를 채택합니다. 는 1이고 t일 때 <1 또는> 1이면 기하학적 변형이 발생합니다[45, 46]. Al 농도가 증가함에 따라 평균 B-사이트 이온 반경이 ​​감소하여 t 0.839에서 1.003 사이의 값입니다. 이것은 BFO의 낮은 대칭 상태의 작은 변화 때문일 수 있습니다. 페로브스카이트의 B자리 양이온은 6개의 산소 음이온으로 둘러싸여 있으며 더 작은 이온으로 대체되면 배위 거리가 감소한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 Al 치환의 효과를 명확하게 분석하기 위해서는 BFAx의 국부적 전자 구조를 연구할 필요가 있다. 오 샘플.

XAFS는 X선흡수근접구조(XANES)와 확장 X선흡수 미세구조(EXAFS)의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 이 측정에서 X선이 x 거리만큼 슬래브를 관통할 때 , X선 빔의 강도는 I로 감소됩니다. = - μx . XAFS는 X선 에너지 E의 함수로 X선 흡수를 측정합니다. , 즉, X선 흡수 계수 μ(E ) =− d /dx X선 빔 강도 I의 감쇠로 결정됩니다. 거리 x [47]. 의 비율 / E의 함수로 표시됩니다. 임계값 초과 Fe K -엣지(7112 eV) 및 Bi L 3 (13,419 eV), μ(E ). 전자 전이는 쌍극자 선택 규칙을 따라야 합니다. X선 흡광도 μ(ω )는 다음과 같이 페르미의 황금률에 의해 구할 수 있습니다.

$$ \upmu \left(\omega \right)\propto \sum \limits_f{\left|\left\langle f\left|D\right|\left.i\right\rangle \right.\right|}^ 2\ \delta \left\langle {E}_i-{E}_f+\omega \right\rangle $$ (3)

어디서 |i ⟩는 초기 상태, |f ⟩는 최종 상태인 D입니다. 쌍극자 연산자, E 는 |i의 에너지입니다. ⟩, f 는 |f의 에너지입니다. ⟩, 그리고 ω 는 광자 주파수입니다. XANES 기능에는 흡수체의 전자 구조 및 원자 구조의 로컬 환경과 관련된 유용한 정보가 포함되어 있습니다. XANES 함수 χ ( )는 다음과 같이 정의됩니다.

$$ \chi (E)=\kern0.5em \left[\frac{\mu (E)-{\mu}_{\mathrm{o}}(E)}{\varDelta {\upmu}_{\ mathrm{o}}}\right] $$ (4)

여기서 μo ( )는 매끄러운 원자 모양의 배경이고 Δμo 는 전체 원자 배경 흡수 가장자리의 순 증가에서 발생하는 정규화 인자입니다. 표준 Eq. (4)는 XANES 데이터 처리 중 배경 빼기 및 제거에 사용되었습니다. 첫째, 부드러운 pre-edge 기능을 빼서 악기에서 배경을 제거합니다. 둘째, μ(E )은 정규화되고 부드러운 포스트 에지 배경 함수는 μ(E ) μo를 얻으려면 ( ). 그림 3a는 Fe K의 전체 스펙트럼을 보여줍니다. -도핑되지 않은 BFO 및 BFA의 가장자리 XANESx 기준 화합물 Fe2와 함께 O 분말 O3 이 작업에서 조사된 반면, 그림 3b는 7100–7180 eV의 에너지 범위에서 XANES 스펙트럼을 보고합니다. 도 3b에서 모든 스펙트럼의 모양과 피크 위치가 서로 유사함을 알 수 있다. 흡수 모서리는 Al 농도가 증가함에 따라 더 낮은 에너지 쪽으로 약간 이동하며, 이는 화학적 이동 효과에 기인할 수 있습니다. 흡수 가장자리 에너지는 전하 상태가 감소함에 따라 더 낮은 에너지로 이동하여 B 사이트에서 복잡한 결합 구성을 제안합니다. 평균 산화 상태를 얻기 위해 가장자리 이동이 사용될 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 우리가 연구한 샘플의 흡수 가장자리 에너지 BFAx O는 x에 대해 7124.95 eV, 7123.87 eV, 7123.84 eV 및 7123.80 eV인 것으로 확인되었습니다. =각각 0, 0.025, 0.05, 0.1입니다. 기준 화합물 Fe2의 경우 O3 , 흡수 가장자리 에너지는 7126.14 eV입니다(그림 3의 표 2 참조). 도핑된 샘플의 흡수 가장자리는 Fe2의 흡수 가장자리보다 낮습니다. O3 (Fe 3+ ) 참조 화합물. x 증가 값은 FeO(Fe 2+ ) 쪽으로 흡수 가장자리의 점진적인 이동으로 이어집니다. ) [48]. 이로부터 BFAx O는 혼합가(Fe 3+ /Fe 2+ ) 시스템. 또 다른 양태에서, 3개의 주요 특징, 프리-에지 피크 A1 및 포스트-에지 피크 A2 및 A3이 4개의 샘플 모두에서 관찰된다. BFO의 일반적인 pre-edge 피크 A1은 O 1s에서 전기 사중극자 금지된 전환에 해당합니다. Fe 3d 수준 약간의 Al 3d 혼합물이 있는 것 상태. Al 농도가 증가함에 따라 pre-edge 피크 A1의 강도는 도핑된 샘플에 대해 약간의 증가를 나타냅니다(그림 3c 참조). 포스트 에지 피크 A2는 O 2p에 기인합니다. Fe 3d로 대역 전송 궤도, 소위 리간드-금속 전하 이동 과정[49]인 반면 피크 A3는 1s에 의해 발생합니다. 4p까지 쌍극자 허용 전이 [50]. Al 농도가 증가함에 따라 도핑된 샘플에 대해 이러한 두 개의 포스트 에지 피크의 강도가 증가하는 것을 명확하게 볼 수 있습니다(그림 3d 참조). 위의 pre-edge 및 post-edge 피크 강도의 모든 변화는 Fe 3d 혼성화 간의 경쟁 측면에서 이해할 수 있습니다. 및 Al 3d O 2p와 함께 궤도. 게다가, Al 이온 도핑 후, 더 많은 비점유 4p BFAx에서 발생하는 궤도 O. 이들을 제외하고 전체 스펙트럼은 큰 변화를 보이지 않으며 이러한 결과는 Al 이온이 BFAx의 B-site에 부분적으로 도핑되었음을 증명합니다. 오.

<그림>

케이 -BFAx의 가장자리 XANES 스펙트럼 O (0 ≤ x ≤ 0.1) 및 기준 Fe2 O3 . 7100–7180 eV 범위의 XANES 스펙트럼. 피크 A의 확대된 보기. d 피크 B 및 피크 C

Fe-O, Fe-Fe/Al(즉, Fe-O-Fe/Al) 및 Bi-O 결합 분포는 k 3 -가중(k 3 × χ ( )) 다음과 같은 원시 데이터:

$$ k=\sqrt{\frac{2m\left(E-{E}_{\mathrm{o}}\right)}{\mathrm{\hbar}}} $$ (5)

여기서 E 는 흡수단 에너지이고 ħ 는 플랑크 상수입니다. 다음과 같이 표준 EXAFS 방정식을 사용하여 추가 피팅(일부 근사 및 진동)이 이루어집니다.

$$ \chi (k)=\sum \limits_R{S}_{\mathrm{o}}^2{N}_{\mathrm{R}}\frac{\left|f(k)\right|} {k{R}^2}\sin \left(2 kR+2{\delta}_{\mathrm{c}}+\phi \right){e}^{\frac{-2R}{\lambda ( k)}}{e}^{-2{\sigma}^2{k}^2} $$ (6)

여기서 \( {S}_{\mathrm{o}}^2 \) (\( 0<{S}_{\mathrm{o}}^2<1 \))는 감소 계수, N R 거리 R에 있는 후방 산란 원자의 수입니다. , f ( )는 후방 산란 진폭, δ 는 중심에서 위상 이동, ϕ 후방 산란 원자, λ 코어 홀 수명, σ 2 여러 거리에서 Debye-Waller 요인이고 k 는 광전자 평균 자유 경로입니다. EXAFS 영역은 일반적으로 에지 점프보다 높은 20–30 eV의 에너지 범위를 나타내며, 이는 단거리 주문 유형, 결합 거리 및 재료의 조정 수에 민감합니다. Eq. (6) EXAFS 근사치 및 진동에 대한 일부 정보를 제공할 수 있지만 EXAFS 스펙트럼의 정보 내용을 시각화하는 데 특히 편리한 형식은 아닙니다. 따라서 푸리에 변환을 사용하여 k를 분해할 수 있습니다. 공간 신호를 다른 구성 주파수로 변환합니다[32]. 푸리에 변환은 원자간 거리 R의 복잡한 함수입니다. , 진폭은 χ의 실제 함수로 표시됩니다. (R ). 이 함수에서 피크의 위치는 결합 거리 및 인접 이온과 관련이 있습니다. 식 (6)은 k에서 변환될 수 있습니다. R에 공백 다음과 같이 푸리에 변환에 의한 공간:

$$ \chi (R)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{\int}_{k_{\mathrm{min}}}^{k_{\mathrm{max}}}\omega (k){k}^n\chi {e}^{-2 ikR} dk $$ (7) $$ \left\{\begin{array}{c}\genfrac{}{}{0pt}{} {\kern2.5em 0\kern7.5em k<{k}_{\mathrm{min}}\ }{\sin^2\left[\frac{\pi \left(k-{k}_{\mathrm {min}}\right)}{2\left({k}_2-{k}_{\mathrm{min}}\right)}\right]\kern3.25em {k}_{\mathrm{min} }{k}_{\mathrm{max}}}\end{배열 }\오른쪽. $$ (8)

여기서 k 최대 그리고 k 변환된 k의 최대값과 최소값입니다. 공백, 각각 χ (R)은 해닝 윈도우 함수, ω ( )는 가우스 창 함수이고 k n 가중 계수(n =0, 1, 2, 3). 2 그리고 k 3 BFAx O는 각각 2와 10이고 n의 값은 2. Fe K의 푸리에 변환 -BFAx의 가장자리 EXAFS 그림 4a와 같이 O 샘플이 수행됩니다. ~ 1.503 Å에 중심을 둔 비대칭 피크(첫 번째 점선으로 둘러싸여 있음)는 산소 음이온의 산란으로 인해 Fe-O 결합으로 식별됩니다. ~ 3.527 Å 부근의 두 번째 강한 피크(두 번째 점선으로 둘러싸여 있음)는 Fe-Fe/Al 결합에 해당하며, 이는 가장 가까운 이웃 Fe/Al 원자로부터 산소 음이온의 산란으로 설명될 수 있습니다. 조개. 첫 번째 및 두 번째 배위 껍질에 대한 거리는 그림 4의 표 3에 요약되어 있습니다. 피크 위치에서 도핑되지 않은 BFO 샘플과 비교하여 Fe-O 및 Fe-Fe/Al 결합이 더 작은 쪽으로 약간 이동하는 경향이 있습니다. R x가 증가하는 값 . 이것은 Al 이온에 의한 도핑이 중심 Fe 원자의 가장 가까운 이웃 국부 구조에 영향을 미칠 뿐만 아니라 Fe 원자의 다음으로 가장 가까운 배위 껍질에도 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 반면, Fe-O 결합이 더 작은 R로 이동 값은 Al 이온의 반경이 Fe 이온의 반경보다 작기 때문에 발생할 수 있습니다. 이는 XRD 데이터와 일치합니다. Fe-Fe/Al의 작은 R로의 이동 값은 또한 평균 Fe-Fe/Al 결합 길이를 나타냅니다(여기서 두 Fe 3+ 이온은 인접한 산소 팔면체의 중심에 있음)이 점차 짧아지고 결합 각도가 Al 도핑된 샘플에서 수정됩니다. 그러나, 도핑된 샘플의 경우 Fe-O 분포의 피크 강도가 약간 증가하는 반면 Fe-Fe/Al 분포의 피크 강도는 거의 변하지 않습니다. 이것은 Fe-O의 철 이웃 구조가 Al 도핑에 의해 수정되었음을 나타냅니다. Al 도핑된 샘플에서 더 짧은 Fe-Fe/Al 결합은 XRD의 주요 피크(101)가 더 높은 2θ로 이동하는 이유를 설명할 수 있습니다. 각도(그림 1b 참조). 이것은 Fe를 Al로 대체하면 산소 팔면체에 영향을 줄 수 있으며, 이는 인접한 두 Fe 원자 사이의 배위 거리를 더욱 감소시킬 수 있음을 나타냅니다. 그림 4b는 Fe K를 보여줍니다. -BFAx의 가장자리 EXAFS k에 처리된 샘플 O 3 × χ ( ) oscillation with a k space of 0–10 Å −1 . As can be seen, all the k 3 × χ ( ) spectra show similar patterns at the smaller k values but different at larger k values with some various noise (surrounded by the dash line). Al-doped samples show a broader k 2 × χ ( ) spectrum than those of undoped BFO in the k space of 8.2–9.3 Å −1 , implying an enhanced short-range structural disorder in BFAx O samples. The noises are observed in a k space of 10–10.4 Å −1 . These changes indicated that the local structure of center atoms has changed due to B-site Al doping, similar to what was reported by Li et al. [51].

Fourier transforms of Fe K -edge k 3 -weighted EXAFS data, for the BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1). EXAFS χ ( ) × k 3 spectra of BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1). The spectra were aligned along the Y -axis for better comparison

The peak positions, intensities, and shapes of the line in the Bi L 3 -edge XANES spectrum are well known to depend on the local electronic structure of the Bi atoms, which could provide information on the Bi valence. The full spectra of Bi L 3 -edge XANES of undoped BFO and BFAx O samples are also shown in Fig. 5a, while Fig. 5b shows the Bi L 3 -edge XANES spectrum in the energy region of 13,400–13,480 eV. The analysis of these spectra helps to investigate the local electronic structure of Bi ions in the doped system. From Fig. 5b, it can be seen that the shape of all spectra are the same to each other and there is almost no change of absorption edge in the whole series. The absorption edge energies for our study are found to be 13,429.1 eV, 13,429.4 eV, 13,429.3 eV, 13,429.3 eV, and 13,429.8 eV for x =0, 0.025, 0.05, and 0.1 and the reference compound Bi2 O3 , respectively (see Table 4 in Fig. 5). The absorption edges slightly shift toward higher energies with increasing Al concentration. The absorption edge in the Bi L 3 -edge of the BFAx O samples matches well with that of the reference compound Bi2 O3 , which indicates that the valence state of Bi ions in all the samples is in + 3 valence state. However, there are two post-edge peaks found in all samples and marked as B1 and B2, respectively. These two post-edge peaks are caused by the electric-forbidden transition from 2p 3/2 level to the 6d ones. Compared with undoped BFO, the intensity of peak B2 can be clearly seen to increase for the doped samples (see Fig. 5c), which means the transition from 2p 3/2 to 6d state increases, so does the energy of 6d state. Except these, there is no other significant change in the whole spectrum.

Bi L 3 -edge XANES spectra of BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1) and reference Bi2 O3 . XANES spectrum in the range of 13,400–13,480 eV. Enlarged view of the peak D and peak E

Fourier transform of Bi L 3 -edge EXAFS radial distribution functions is performed, as shown in Fig. 6a. A high-intensity peak located at around 1.618 Å corresponds to the nearest Bi-O coordination shell (surrounded by the dash line), which is a result from scattering from the nearest-neighbor atomic shell of Bi, i.e., oxygen anions. However, the position of Bi-O bond shifts toward larger R values for the doped samples (see Table 5 in Fig. 6). This indicates that the substitution of Al for Fe could affect the nearest-neighbor local structure of the central Bi atom. It also indicates the extension of Bi-O bond length. The peak intensity of the Bi-O distribution exhibited a small increase with increasing Al content, which suggests that the iron-neighboring structure of Bi-O has changed. Figure 6b shows the Bi L 3 -edge k 3 × χ ( ) EXAFS spectra with a k space of 0–14 Å −1 . From Fig. 6b, it can be seen that all the spectra shape shows similar patterns except some error noises. The error noises are observed in the k space of 12–14 Å −1 (surrounded by the dash line). This result may imply that the k 3 × χ ( ) EXAFS function of the center Bi atoms has changed with Al doping. This also suggests that the B-site Al substitution influences short-range structural disordering.

Fourier transforms of Bi L 3 -edge k 3 -weighted EXAFS data, for the BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1). EXAFS χ ( ) × k 3 spectra of BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1). The spectra were aligned along the Y -축

The optical properties of the samples are studied by using RT UV-Vis, which is used to characterize the optical properties of the materials. The UV-Vis absorption spectra of undoped BFO and BFAx O samples in the wavelength of 300–800 nm are shown in Fig. 7a. As a result, the UV-Vis spectra of the undoped BFO and BFAx O samples show two absorption edges (marked by dashed arrows). One is a band around 650 nm, which is due to the metal-to-metal transition. The other is a band around 760 nm, which is caused by crystal field transition [52]. In addition, the strong absorption band is observed at about 490 nm (marked by dashed arrow), which is attributed to the electronic transition from O 2p to Fe 3d state in the BFO. These strong bands indicate that the BFO prepared by hydrothermal method could be a promising visible-light photocatalytic material. BFO is of direct transition with a value of n as 2. The absorption edge of the doped samples shifted from 659 to 619 nm, suggesting that the BFAx O powders absorb visible light in the wavelength range of 600–659 nm (see Fig. 7a). A similar blue-shift phenomenon was observed earlier in other element-doped BFO [53,54,55]. This blue shift in the absorption spectra of Al-doped samples in comparison with the undoped BFO shows that doping Al causes a change in the local structure for BFO. From Fig. 7a, one can see that the absorption spectra of the Al-doped samples exhibit a sharp increase around 490 nm and it suggests that all samples can absorb remarkable amounts of visible light. For the sample with x =0.025, the absorption spectrum shows a sudden increase. It means that it has a wider absorption range than the other samples in this range of visible light. The optical band gap of the samples has been calculated by Tauc’s formula, as follows:

$$ ahm=A{\left( hm-E\mathrm{g}\right)}^n $$ (9)

UV-Vis absorption spectrum of BFAx O (0 ≤ x ≤ 0.1). Plots of (ahν ) 2 vs. photon energy. g values as a function of Al concentration

여기서 a is the absorption coefficient, A is the parameter, h is the Planck’s constant, m is the frequency of the incident photon, E g is the optical band gap, and n (for direct n =2, for indirect n =0.5) is a constant associated with different types of electronic transitions, as shown in Fig. 7b. 계산된 E g values are found to be 1.833 eV, 1.888 eV, 1.866 eV, and 1.905 eV for x =0, x =0.025, x =0.05, and x =0.1 samples, respectively. It is easy to see that the band gap increases with the substitution ratio, as shown in Fig. 7c. The increase in the band gap is attributed to the doping effect. E g value for the undoped BFO is about 1.833 eV, which is lower than the previous reports [56, 57].

결론

In summary, the BFAx 오(x =0, 0.025, 0.05, and 0.1) multiferroic powder samples were successfully synthesized via hydrothermal route. Effects of Al substitution on the structural, electrical, and optical properties of the samples were studied. The structural study reveals that Al-doped BiFeO3 shows the existence of secondary phases and lattice contraction due to lower ionic radii of Al doped into B-site, which still retains its rhombohedral R3c perovskite structure. Raman scattering measurement infers six Raman active phonon modes, which further confirms the result of XRD. XAFS studies on the Fe K -edge and B L 3 -edge of the BFAx O samples and of the reference compounds Fe2 O3 및 Bi2 O3 were performed, and the obtained results were compared in order to determine the valance states of Fe and Bi ions in the system. The Fe K -edge XAFS results revealed that BFAx O is a mixed-valent (Fe 3+ /Fe 2+ ) 시스템. The results of Fe K -edge XAFS also illustrate a competition between the Fe 3d and Al 3d orbitals on hybridization with the O 2p and occurrence of the more 4p orbitals with Al doping. Besides, Al ion doping affects both the nearest-neighbor and next-nearest coordination shells of the Fe atom. The B L 3 -edge XAFS results indicate that valence states of Bi ions in all the samples are in + 3 and the transition from 2p 3/2 to 6d state and the energy of 6d state increases. Substitution Al for Fe could affect the nearest-neighbor local structure of central Bi atom. The BFAx O prepared by hydrothermal method could be an appropriate visible-light photocatalytic material due to a strong absorption band in the visible region.

약어

AFM:

반강자성

BFAx O:

BiFe1-x Alx O3

BFO:

BiFeO3

EXAFS:

X-ray absorption fine structure

FE:

Ferroelectric

FM:

강자성

RT:

실내 온도

UV-Vis:

자외선 가시성

XAFS:

X-ray absorption fine structure

XANES:

X-ray absorption near edge structure

XRD:

X선 회절


나노물질

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