Influência das condições de calcinação na produção de ferrita de bismuto (BiFeO3) pura e dopada com lantânio via síntese sol-gel e reação no estado sólido

Abstract

A Ferrita de Bismuto (BiFeO3), também conhecida como BFO, é um material cerâmico que apresenta uma estrutura perovskita do tipo romboédrica e é muito utilizada para aplicações elétricas, magnéticas e ópticas. No entanto, durante a síntese da BFO é comum o surgimento de fases indesejáveis que afetam as propriedades desse material. Nesse contexto, o presente trabalho avaliou duas rotas de obtenção da BFO sem dopagem e dopada com lantânio (reação no estado sólido e sol-gel) usando diferentes patamares de calcinação. As concentrações (mmol) de lantânio nas duas rotas foram: x = 0; 0,1 e 0,4 para a síntese no estado sólido e x = 0; 0,1; 0,2; 0,3 e 0,4 para a síntese sol-gel. Na reação no estado sólido as misturas dos óxidos precursores foram submetidas à calcinação com a taxa de aquecimento de 10ºC/min até a temperatura máxima de 850ºC sem tempo de permanência nessa temperatura e com patamares de 1 hora e 5 horas. Já para a síntese sol-gel a calcinação foi realizada à 10ºC/min até a temperatura máxima de 600ºC com patamares de permanência a essa temperatura de 1 hora e 3 horas. Os pós obtidos pelas duas rotas foram caracterizados por Difração de Raios X (DRX), a fim de avaliar as fases formadas e identificar os patamares de calcinação que minimizaram a presença de fases secundárias. Nas duas rotas de síntese avaliadas houve a formação da fase cristalina referente à estrutura romboédrica da BFO, mas com o aparecimento da fase secundária, Bi25FeO40 na reação no estado sólido e as fases Bi2Fe4O9 e Fe2O3 na síntese sol-gel. No entanto, verificou-se que os patamares de calcinação de 5 horas para síntese de reação no estado sólido e 3 horas para síntese sol-gel proporcionaram a obtenção da BFO dopada (x = 0,4 rota cerâmica e x = 0,3 e 0,4 para a rota sol-gel) praticamente sem a presença de fases secundárias. Nas amostras obtidas nesses patamares foram realizadas as análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e Distribuição do Tamanho de Partícula (DTP). Na análise de MEV observou-se que as partículas estavam aglomeradas, dificultando a identificação da forma e do tamanho. As análises granulométricas evidenciaram que as amostras dopadas tendem a apresentar menor tamanho médio de partículas que as amostras sem dopagem. Na análise MET realizada na amostra sem dopagem (x = 0) calcinada por 5 horas à 850ºC, verificou-se que as partículas apresentaram tamanho em escala nanométrica. Os dois métodos de síntese estudados se mostram eficientes para a obtenção de pós de BFO dopados sem a presença de fases secundárias, desde que sejam adotados os teores de dopante e patamares de calcinação adequados.

Bismuth Ferrite (BiFeO3), also known as BFO, is a ceramic material with a rhombohedral perovskite structure, widely utilized in electrical, magnetic, and optical applications. However, during the synthesis of BFO, the emergence of undesirable phases that affect its properties is common. In this study, two routes of BFO synthesis, namely solid-state reaction and sol-gel methods, were evaluated with and without lanthanum (La) doping, employing different calcination conditions. The lanthanum concentrations (mmol) used in the two routes were x = 0; 0,1 and 0,4 for the solid-state synthesis, and x = 0; 0,1; 0,2; 0,3 and 0,4 for the sol-gel synthesis. For the solid-state reaction, precursor oxide mixtures were calcined at a heating rate of 10ºC/min up to a maximum temperature of 850ºC, without dwell time at that temperature, and with dwell times of 1 hour and 5 hours. As for the sol-gel synthesis, calcination was carried out at a heating rate of 10ºC/min up to a maximum temperature of 600ºC, with dwell times of 1 hour and 3 hours. The powders obtained from both routes were characterized using X-ray Diffraction (XRD) to evaluate the formed phases and identify the calcination conditions that minimized the presence of secondary phases. In both synthesis routes, the formation of the crystalline phase corresponding to the rhombohedral structure of BFO was observed, along with the appearance of secondary phase, specifically Bi25FeO40 in the solid-state reaction route and the phases Bi2Fe4O9 and Fe2O3 in the sol-gel synthesis route. However, it was found that a calcination dwell time of 5 hours for the solid-state reaction synthesis and 3 hours for the sol-gel synthesis resulted in the successful synthesis of lanthanum-doped BFO (x = 0,4 for the solid-state route and x = 0,3 and 0,4 for the sol-gel route) with minimal presence of secondary phases. Additional the analyses of Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), and Particle Size Distribution (PSD) were performed on the samples obtained at these calcination conditions. SEM analysis revealed particle agglomeration, making it difficult to determine their shape and size. PSD analysis indicated that the doped samples tended to have a smaller average particle size compared to the undoped samples. TEM analysis conducted on the undoped sample (x = 0) calcined for 5 hours at 850ºC showed that the particles exhibited nanoscale dimensions. Overall, both synthesis methods proved to be efficient for obtaining lanthanum-doped BFO powders without the presence of secondary phases, provided that appropriate doping levels and calcination conditions are employed.