Evolution of the crystalline structure in (Bi_0.5Na_0.5)_1-xBa_xTiO₃ thin films around the Morphotropic Phase Boundary

Abstract

(Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 (BNBT), which exhibits compositions for the morphotropic phase boundary (MPB) where exist an intimate coexistence of the rhombohedral and tetragonal structures, is being considered as promising lead-free alternative to the well known Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT). In this work, BNBT thin films were fabricated by chemical solution deposition (CSD) with a wide range of compositions(x~0.050-0.150) onto Pt/TiO2/SiO2/(100)Si substrates. Structural studies by X-ray diffraction (λCu~1.5406 Å) using a four-circle goniometer were carried out to determine the crystalline structure of the films. Rietveld analysis of the experimental X-ray patterns showed different volume fractions of the rhombohedral and tetragonal phases as a function of the Ba2+) content and the coexistence of both phases, characteristic of a MPB region, for x∼0.055-0.080. Finally, Rutherford backscattering experiments (RBS) were performed to determine the compositional profile of the films. This study revealed a homogenous composition of the BNBT films with abrupt film/substrate interfaces.El (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 (BNBT), considerado un posible candidato sin plomo para substituir al Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT), presenta una frontera de fase morfotrópica donde se da la coexistencia de las estructuras tetragonal y romboédrica. En este trabajo, se han fabricado láminas delgadas de BNBT por depósito químico de disoluciones (CSD) con composiciones comprendidas entre x~ 0.050 y x~ 0.150 sobre substratos de Pt/TiO2/SiO2/(100)Si. En dichas láminas se ha llevado a cabo un estudio estructural empleando difracción de rayos X (DRX) (λCu~1.5406 Å) y un goniómetro de cuatro círculos. El análisis Rietveld de los patrones experimentales de DRX mostró: i) diferentes fracciones volumétricas para las fases romboédrica y tetragonal, en función del contenido de Ba2+ ii) la coexistencia de ambas estructuras, característico de una región MPB, para composiciones con x∼0.055-0.080. Finalmente, se determinó el perfil composicional de las láminas de BNBT por espectroscopía de retrodispersión Rutherford (RBS). Este estudio demostró que las láminas de BNBT presentan una composición homogénea e intercaras abruptas lámina/substrato.

Keywords

• Thin films
• lead-free ferroelectrics
• morphotropic phase boundary
• Láminas delgadas
• ferroeléctricos sin plomo
• frontera de fase morfotrópica