Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (May 2023)
Study of the structural, ferroelectric and dielectric properties of BaTiO3 co-doped with Sn4+ and Cr3+
Abstract
In the present work, we studied the effect of Sn4+ and Cr3+ doping on the structural, ferroelectric, and dielectric properties of BaSnxCryTi1−(x+y)O3. The materials were prepared by a combination of high-energy mechanical milling and solid-state reactions. The X-Ray Diffraction (XRD) analysis and Rietveld refinements confirmed the presence of a single tetragonal phase for the pure and doped samples. The SEM study revealed that the microstructure is highly susceptible to the addition of both dopants, causing an evident grain refinement. On the other hand, the addition of Sn4+ and Cr3+ had a strong influence on ferroelectric properties, as observed by the pinching of the ferroelectric hysteresis loops. The addition of Sn4+ increases the remnant and maximum polarization, as the Cr3+ doping promoted the contrary effect. Co-doping with Sn4+ and Cr3+ resulted in a maximum energy storage value of 0.2574 J/cm3 with a efficiency of up to 65%, overcoming the values of pure BT. The relative permittivity of all doped samples remained in values of ∼1000, just a little below the permittivity of pure BT. Resumen: En el presente trabajo se estudiaron los efectos del co-dopaje con Sn4+ y Cr3+ en las propiedades estructurales, ferroeléctricas y dieléctricas de BaSnxCryTi1-(x+y)O3. Los materiales se prepararon mediante una combinación de molienda mecánica de alta energía y reacciones en estado sólido. Los análisis de difracción de rayos X (DRX) y los refinamientos Rietveld confirmaron la presencia de únicamente la fase tetragonal tanto en la muestra de BT puro como en las dopadas. Los estudios realizados por microscopia electrónica de barrido revelaron que la microestructura de los materiales fabricados es altamente susceptible a la adición de ambos dopantes, provocando un refinamiento considerable de tamaño de grano. Por otro lado, el dopaje con los iones Sn4+ y Cr+3 demostró tener una fuerte influencia en las propiedades ferroeléctricas, como se observó mediante la contracción de los ciclos de histéresis ferroeléctrica. La adición de Sn4+ incrementó los valores de polarización remanente y máxima, mientras que el dopaje con Cr3+ promovió el efecto contrario. El co-dopaje con Sn4+ y Cr3+ dio como resultado un valor máximo de almacenamiento de energía de 0,2574 J/cm3 con una eficiencia de 65%, superando los valores de BT puro. La permitividad relativa de las muestras dopadas se mantuvo en valores de ∼1000, mostrando un decremento mínimo en comparación a la permitividad del BT puro.
