Electronic structure and bonding interactions in Ba_1--xSr_xZr_0.1Ti_0.9O₃ ceramics

Abstract

An investigation on the precise electronic structure and bonding interactions has been carried out on Ba_1−xSr_xZr_0.1Ti_0.9O₃ (short for BSZT, x = 0, 0.05, 0.07 and 0.14) ceramic systems prepared via high-temperature solid state reaction technique. The influence of Sr doping on the BSZT structure has been examined by characterizing the prepared samples using PXRD, UV-visible spectrophotometry, SEM and EDS. Powder profile refinement of X-ray data confirms that all the synthesized samples have been crystallized in cubic perovskite structure with single phase. Charge density distribution of the BSZT systems has been completely analyzed by the maximum entropy method (MEM). Co-substitution of Sr at the Ba site and Zr at the Ti site into the BaTiO₃ structure presents the ionic nature between Ba and O ions and the covalent nature between Ti and O ions, revealed from MEM calculations. Optical band gap values have been evaluated from UV-visible absorption spectra. Particles with irregular shapes and well defined grain boundaries are clearly visualized from SEM images. The phase purity of the prepared samples is further confirmed by EDS qualitative spectral analysis.

Keywords

barium titanate / X-ray diffraction / Rietveld refinement / maximum entropy method / bonding

References

[1] Rani R, Singh  S, Juneja J K , . Dielectric properties of Zr substituted BST ceramics. Ceramics International, 2011, 37(8): 3755–3758

[2] Buscaglia M T ,  Buscaglia V ,  Viviani M , . Influence of foreign ions on the crystal structure of BaTiO₃. Journal of the European Ceramic Society, 2000, 20(12): 1997–2007

[3] Nanakorn N, Jalupoom  P, Vaneesorn N , . Dielectric and ferroelectric properties of Ba(Zr_xTi_1−x)O₃ ceramics. Ceramics International, 2008, 34(4): 779–782

[4] Wu T B, Wu  C M, Chen  M L. High insulative barium zirconate–titanate thin films prepared by rf magnetron sputtering for dynamic random access memory applications. Applied Physics Letters, 1996, 69(18): 2659–2661

[5] Dixit A, Majumder  S B, Katiyar  R S, . Relaxor behavior in sol–gel derived BaZr_0.40Ti_0.60O₃. Applied Physics Letters, 2003, 82(16): 2679–2681

[6] Swartz S L. Topics in electronic ceramics. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1990, 25(5): 935–987

[7] Cavalcante L S ,  Sczancoski J C ,  De Vicente F S , . Microstructure, dielectric properties and optical band gap control on the photoluminescence behavior of Ba[Zr_0.25Ti_0.75]O₃ thin films. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2009, 49(1): 35–46

[8] Brankovic G, Brankovic  Z, Goes M S , . Barium strontium titanate powders prepared by spray pyrolysis. Materials Science and Engineering B, 2005, 122(2): 140–144

[9] Caruntu G, Rarig  R Jr, Dumitru I , . Annealing effects on the crystallite size and dielectric properties of ultra fine Ba_1−xSr_xTiO₃ (0<x<1) powders synthesized through an oxalate-complex precursor. Journal of Materials Chemistry, 2006, 16(8): 752–758

[10] Nedelcu L, Ioachim  A, Toacsan M , . Synthesis and dielectric characterization of Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ ferroelectric ceramics. Thin Solid Films, 2011, 519(17): 5811–5815

[11] Chan N Y, Choy  S H, Wang  D Y, . High dielectric tunability of ferroelectric (Ba_1−x,Sr_x)(Zr_0.1,Ti_0.9)O₃ ceramics. Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2014, 25(6): 2589–2594

[12] Kumar M, Garg  A, Kumar R , . Structural, dielectric and ferroelectric study of Ba_0.9Sr_0.1Zr_xTi_1−xO₃ ceramics prepared by the sol–gel method. Physica B: Condensed Matter, 2008, 403(10–11): 1819–1823

[13] Bhaskar Reddy S ,  Prasad Rao K ,  Ramachandra Rao M S . Structural and dielectric characterization of Sr substituted Ba(Zr,Ti)O₃ based functional materials. Applied Physics A: Materials Science & Processing, 2007, 89(4): 1011–1015

[14] Bhaskar Reddy S ,  Prasad Rao K ,  Ramachandra Rao M S . Effect of La substitution on the structural and dielectric properties of BaZr_0.1Ti_0.9O₃ ceramics. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 481(1–2): 692–696

[15] Jain A, Saroha  R, Pastor M , . Effect of sintering duration on structural and electrical properties of Ba_0.9Sr_0.1Ti_0.96Zr_0.04O₃ solid solution. Current Applied Physics, 2016, 16(8): 859–866

[16] Wang X, Huang  R, Zhao Y , . Dielectric and tunable properties of Zr doped BST ceramics prepared by spark plasma sintering. Journal of Alloys and Compounds, 2012, 533(1): 25–28

[17] Tawade C M, Madolappa  S, Sharanappa N , . Microstructural and electrical study of (Ba_0.6Sr_0.4)(Zr_1−xTi_x)O₃ ceramics. IJRET, 2013, 2(8): 184–187

[18] Deng X Y, Wang  X H, Li  D J, . Electronic structure of nanograin barium titanate ceramics. Frontiers of Materials Science, 2007, 1(3): 316–318

[19] Saravanan R. Practical application of maximum entropy method in electron density and bonding studies. Physica Scripta, 2009, 79(4): 048303 (8 pages) 

[20] Rietveld H M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography, 1969, 2(2): 65–71

[21] Collins D M. Electron density images from imperfect data by iterative entropy maximization. Nature, 1982, 298(5869): 49–51

[22] Shannon R D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallographica, 1976, 32(5): 751–767

[23] Petricek V, Dusek  M, Palatinus L . The crystallographic computing system JANA 2006: General features. Zeitschrift fur Kristallographie, 2014, 229(5): 345–352

[24] Wyckoff R W G . Crystal Structures, Vol. 2. London: Inter-space Publishers, 1963

[25] Thongtha A, Angsukased  K, Riyamongkol N , . Preparation of (Ba_1−xSr_x)(Zr_xTi_1−x)O₃ ceramics via the solid state reaction method. Ferroelectrics, 2010, 403(1): 68–75 

[26] Saravanan R. GRAIN software (personal communication)

[27] Izumi F, Dilanien  R A. Recent Research Developments in Physics, Part II  Vol. 3. Trivandrum, India: Transworld Research Network, 2002

[28] MommaK, Izumi F. VESTA: a three-dimensional visualization system for electronic and structural analysis.Journal of Applied Crystallography, 2008, 41(3): 653–658 

[29] Tauc J, Grigorovici  R, Vancu Y . Optical properties and electronic structure of amorphous germanium. Physica Status Solidi B, 1966, 15(2): 627–637

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg