Synthesis and characterization of niobium doped bismuth titanate

Abstract

Pure and niobium doped bismuth titanate ceramics Bi4Ti3−xNbxO12(Nb−BiT) with x ranging from 0% to 2% are prepared by sol–gel method. Pellets are sintered by pressureless sintering (PLS) and spark plasma sintering (SPS). Raman spectroscopy indicates distortion in the structure due to the substitution of titanium by niobium. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) displays the Nb integration to the bismuth titanate ceramic structure. X-ray diffraction shows no secondary phases and offers clues about crystallographic texturing due to the SPS technique. The shape and size of the grains are strongly influenced by the niobium added to the system as reported by scanning electron microscopy. Ferroelectric hysteresis loops exhibit the effect of the niobium and the texturing on the ferroelectric behavior. Higher values of remanent polarization are reported for PLS samples. In comparison with PLS, higher values of the relative permittivity are reported for SPS samples due to the non-homogeneous incorporation of Nb. Resumen: El titanato de bismuto puro y dopado con niobio Bi4Ti3−xNbxO12(Nb−BiT), en un rango de x entre 0 a 2%, es obtenido por el método sol-gel. La densificación de las muestras cerámicas se desarrolla por medio de sinterizado tradicional y asistido por arcos eléctricos. La espectroscopia Raman reporta evidencia de la distorsión en la estructura debido a la sustitución de titanio por niobio. La espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X muestra la integración del niobio en la estructura cerámica de titanato de bismuto. La difracción de rayos X no muestra fases secundarias y ofrece pistas sobre la textura cristalográfica debido a la técnica de sinterizado asistido por arcos eléctricos. La forma y el tamaño de los granos están fuertemente influidos por el niobio agregado al sistema, según lo reportado por la microscopia electrónica de barrido. Los lazos de histéresis ferroeléctrica exhiben el efecto del niobio y la textura sobre el comportamiento ferroeléctrico. Se reportan valores más altos de polarización remanente para muestras obtenidas por sinterizado tradicional. En comparación con el sinterizado tradicional, las muestras obtenidas por sinterizado asistido por arcos eléctricos muestran los valores más altos de la permitividad relativa debido a la distribución no homogénea de la incorporación del niobio.

Keywords

• Titanato de bismuto dopado con niobio
• Método sol-gel
• Sinterizado tradicional
• Sinterizado asistido por arcos eléctricos
• Ferroelectricidad
• Permitividad relativa