Two-step doping approach releasing the piezoelectric response of BiFeO3 bulk ceramics co-doped with titanium and samarium

Abstract

The conventional solid state processing of bulk Ti,Sm co-doped BiFeO3 ceramics typically produces a complex micro-nanostructure which exhibits an effective decrease of the leakage conductivity. This same nanostructured configuration however confines the mobility of the ferroelectric domains and in this way the potential piezoelectric response of the formulated composition remains restrained. Hereby, a two-step doping strategy based on a simple surface modification approach is proposed which eventually allows for suitably engineering the microstructural development of the material, leading to a coarsened configuration where the conductivity is kept in low levels while the piezoelectric response is satisfactorily released for practical purposes. Resumen: El procesamiento convencional en estado sólido de materiales cerámicos en volumen de BiFeO3 co-dopado con Ti y Sm, típicamente produce una compleja micro-nanoestructura que permite una reducción efectiva de la conductividad eléctrica del material (corrientes de fuga). Sin embargo, esta misma configuración nano-estructurada también reduce la movilidad de los dominios ferroeléctricos y por ello, la potencial respuesta piezoeléctrica de la composición formulada permanece confinada. En este trabajo se propone el empleo de una estrategia de dopado en dos etapas, basada en una sencilla aproximación de modificación superficial, con la cual es posible diseñar y controlar adecuadamente el desarrollo microestructural del sistema, dando lugar a un engrosamiento de la microestructura que permite mantener la conductividad del material en bajos niveles al tiempo que libera satisfactoriamente su respuesta piezoeléctrica. Keywords: BiFeO3, Processing, Microstructure, Electrical conductivity, Piezoelectricity, Palabras clave: BiFeO3, Procesamiento, Microestructura, Conductividad eléctrica, Piezoelectricidad