Bi 4 −x Nd x Ti 3 O 12 : g à k Ä8 ý P ê s– ¥ ¹ Å õ m Í  ¹ ÅM X ì Ä — ¤V R Ë8 ý Nd T Æ X Ø Y 8 È „ ÇÊ Ý

Bi 4 −x Nd x Ti 3 O 12 : g  à k Ä8 ý P ê s– ¥ ¹ Å õ m Í  ¹ ÅM X ì Ä — ¤V R Ë8 ý Nd T  Æ X Ø Y 8 È „ ÇÊ Ý

T ` 9 * å  · T A I+ Ö < · ~ ç ¡` 9 r ) ·  ™ »G ž B4 w H

Ö

 ¦í ß –@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , Ö  ¦í ß – 680-749



™

». > ¬ £ ^∗

Ö

 ¦í ß –@ /† < Ɠ § l œ íõ † < ƃ  ½ ¨™ è, Ö  ¦í ß – 680-749 (2004¸   2 Z 4 20{ 9  ~ à Î6 £ §)

Nd s “ : r s  ' ‘   ) a Bi

4−x

Nd

x

Ti

3

O

12

(BNdT, x = 0.75, 0.80, 0.85, 0.90) [ j b ” `  ¦ “ ¦ © œì ø Í6 £ xZ O Ü ¼– Ð ]

j› ¸ % i “ ¦, Nds “ : r_  ' ‘ \    É r BNdT [ j b ” _  ½ + Ë$ í ,   & ñ p [ j½ ¨› ¸, y © œÄ »„  s § 4  : £ ¤$ í , y © œÄ »„   x 9

 „  l „  • ¸ : £ ¤$ í \  @ / # Œ ƒ  ½ ¨ % i  . x = 0.75 ∼ 0.90\ " f BNdT [ j b ” “ É r é ß –{ 9  © œ_  8 £ x © œ+ þ A ` …– Ð Ú

ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ Õ ª@ /– Ð Ä »t  % i  . Nd u  ¨ 8 Š| ¾ Ós  7 £ x † < Ê\      © œ„  s  “ : r • ¸  H y Œ ™™ è % i “ ¦, Ä »

„ 

 © œÃ º x ß ¼  H & h & h  ¢ - aë ß –K 4 R ¢ - a o+ þ A(relaxor) y © œÄ »„    © œ„  s  : £ ¤$ í `  ¦
 ? /% 3  . x = 0.85\ " f, ï ß – À

Óì  rF G_  ß ¼l   H 11.06 µC/cm

²

– Ð  © œ  H ° ú כ`  ¦ ˜ Ð% i Ü ¼ 9, s  M : † ½ ӄ  l  © œ_  ß ¼l   H 50.3 kV/cm s % 3 



. ¢ ¸ Nds “ : r s  ' ‘ ÷ &% 3 `  ¦ M :, “ : r • ¸_ ” > r „  l „  • ¸• ¸  H y Œ ™™ è % i  .   " f x = 0.80 ∼ 0.85{ 9  M :, y

© œÄ »„   B j— ¸o \   © œ Ä »o ô  Ç y © œÄ »„   x 9  „  l & h  : £ ¤$ í s 
 z Œ ¤ .

PACS numbers: 11.10.Ef, 11.15.Tk

Keywords: y © œÄ »„  ^ ‰B j— ¸o , BIT, y © œÄ »„  s § 4 / B G‚  , Ä »„  ^ ‰, „  l „  • ¸• ¸, y © œÄ »„  ^ ‰

I. " e  ] Ø

þ j  H y © œÄ »„   : £ ¤$ í ×  æ ü @Â Ò „  l  © œ\  _ ô  Ç ì  rF G: £ ¤$ í `  ¦ s

6   x # Œ „  " é ¶ s  é ß –÷ &# Q• ¸ l % 3  © œI  Õ ª@ /– Ð Ä »t ÷ &

“

¦, l ” > r e  ¦ Y U/ '(flash) B j— ¸o 1 p x_  q 6 fµ 1 Ï$ í B j— ¸o  ° ú 



 H Ö ¼ 2 ; 1 l x Œ •5 Å q • ¸ü < “ ¦„  · ú š  Œ •1 l x Ü ¼– Ð “  ô  Ç ] jô  Ç& h “   6 £ x 6

 

x \ " f # Á # Q
 “ ¦| 9 & h  oü <   É r 1 l x Œ •5 Å q • ¸– Ð 6 £ x6   x% ò % i s  V ,

“ É r q 6 fµ 1 Ï$ í y © œÄ »„   B j— ¸o  (ferroelectric random ac- cess memory, FRAM) – Ð  6   x l  0 A # Œ Pb(Zr,Ti)O

³

(PZT)\  ¦ q 2 Ÿ © # Œ q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨

›

¸\  ¦ ° ú   H SrBi

2

Ta

2

O

9

(SBT), SrBi

2

Nb

2

O

9

(SBN) x 9  Bi

4

Ti

3

O

12

(BIT)Ó ü t| 9 `  ¦ l ì ø ÍÜ ¼– Ð y © œÄ »„   ì  rF G x 9  „  l 

„ 

• ¸ : £ ¤$ í \  › ' aô  Ç ƒ  ½ ¨ ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ”   [1–5]. ‰ & ³F   t

_  ƒ  ½ ¨  õ \  _  €   y © œÄ »„  ^ ‰ PZT ~ à Ì} Œ •“ É r Z  }“ É r ï ß – À

Óì  rF G (2P

r

= 20 ∼ 70 µC/cm

²

) õ  ± ú “ É r / B N& ñ “ : r • ¸ (500

∼ 600

^◦

C)\  ¦ ° ú   H  © œ& h “ É r e ” Ü ¼
 Ñ þ ˜F K õ  ° ú  “ É r F K5 Å q„  F G

`

 ¦  6   xÙ þ ¡`  ¦ M :, 10

⁶

∼ 10

⁸

Å Òl _  ì ø Í4 Ÿ ¤ ) a { 9 l /æ ¼l \ 

"

f
 
  H ì  rF G x – Ѝ  H l % 3 ™ è _  6 £ x6   x \  ë  H ] j ÷ &

“

¦ e ”   [6,7]. þ j  H \   H y © œÄ »„   l % 3 ™ è \  Ä »6   xô  Ç Ó ü t| 9 

`

 ¦ > hµ 1 Ï l  0 AK  q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô y © œÄ »

∗

E-mail: [email protected]

„ 

^ ‰\  # Œ Q t  „  s F K5 Å q s “ : r`  ¦ u  ¨ 8 Š % i “ ¦, s \   



 y © œÄ »„   x 9  „  l & h  Ó ü t$ í `  ¦ > h‚    9  H ƒ  ½ ¨  Ö ¸µ 1 Ï 

>

 ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ”   [8–12].

(Bi

₂

O

₂

)

²⁺

(A

_m−1

B

_m

O

_3m+1

)

²⁻

Ü ¼– Ð ³ ð‰ & ³÷ &  H q Û ¼Á º Û

¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô  o½ + ËÓ ü t“ É r 1950¸   Aurivillius [5] \  _ K  ƒ  ½ ¨÷ &% 3  . BIT y © œÄ »„  ^ ‰  H q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ

½

¨› ¸\ " f A o ü < B o   H y Œ •y Œ • Biü < Ti Z  ~ # Œ e ” “ ¦, q

Û ¼Á ºÛ ¼8 £ x  s \  3> h_  ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô 8 £ x s  Á ú ¢# Œ e ” 



 H ½ ¨› ¸\  ¦ s À ғ ¦ e ”  . BIT  H SBT \  q K  ± ú “ É r “ : r • ¸

\

" f   & ñ  o ÷ &  H  כ Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ”  . Õ ª Q
 BIT  H Ô

 ¦î ß –& ñ ô  Ç Bi s “ : r`  ¦ Ÿ í† < Ê “ ¦ e ” “ ¦, ¢ ¸ Bi s “ : r“ É r \ P % ƒ o

 õ & ñ \ " f ~ 1 >  6 fµ 1 Ï÷ &“ ¦ y © œÄ »„   x 9  „  l & h  : £ ¤$ í \ 


œ É

r % ò † ¾ Ó`  ¦ p • 2 ; .   " f Ô  ¦î ß –& ñ ô  Ç Bi

³⁺

s “ : r @ /’  \ 

 Bž ÐÀ Ó s “ : r(rare earth)“   La

³⁺

, Nd

³⁺

ü < Sm

³⁺

`  ¦ ' ‘ 

# Œ y © œÄ »„  ^ ‰ : £ ¤$ í `  ¦ > h‚    9  H ƒ  ½ ¨  Ö ¸µ 1 Ï >  ”   '

Ÿ ÷ &“ ¦ e ”   [12–15]. ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f  H y © œÄ »„   : £ ¤$ í s  Ä º Ã

ºô  Ç › ¸$ í `  ¦ % 3 l  0 AK  BIT\  W 1š ¸n ¹ ¡ §(Nd) s “ : r`  ¦ ' ‘ 

ô  Ç BNdT [ j b ” `  ¦ “ ¦ © œì ø Í6 £ xZ O Ü ¼– Ð ] j› ¸ % i  . ] j› ¸

 )

a [ j b ” \ " f z Œ —· ú ˜(grain)_  ³ ð€  p [ j½ ¨› ¸ü < q Û ¼Á ºÛ ¼ 8

£

x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô  © œ(phase) + þ A$ í “ É r Å Ò „   ‰ & ³p  â (scanning electron microscope, SEM) ì  r$ 3  x 9  X-‚    r ] X

 (X-ray diffraction, XRD)`  ¦ : Ÿ x K  › ¸ ÷ &% 3 “ ¦, Ä »„   © œ

-428-

Ã

º(dielectric constant), Ä »„  ’ < Hz  ´(dielectric loss), ï ß –À Óì  r F G(remanent polarization) x 9  † ½ ӄ  l  © œ(coercive field)`  ¦ 8

£

¤& ñ # Œ Bi s “ : r @ /’    Òì  r& h “   Nd s “ : r_  u  ¨ 8 Š s  y © œ Ä

»„  (ferroelectric) x 9  „  l „  • ¸(electrical conduction) : £ ¤

$ í

\  p u   H % ò † ¾ Ó`  ¦ ƒ  ½ ¨ % i  .

II. ÷ m Ç] M öU ê s0 n É

Bi

_4−x

Nd

_x

Ti

₃

O

₁₂

(x = 0.75, 0.80, 0.85, 0.90) › ¸$ í _  BNdT [ j b ” `  ¦ Bi s “ : r @ /’   Nd s “ : r`  ¦ ]  t q \     u

 ¨ 8 Š # Œ “ ¦ © œì ø Í6 £ xZ O Ü ¼– Ð ] j› ¸ % i  . Nd› ¸$ í \     BNdT [ j b ” `  ¦ y Œ •y Œ • BNdT0.75, BNdT0.80, BNdT0.85 x 9

 BNdT0.90 [ j b ” Ü ¼– Ð " î % i  . y Œ • BNdT [ j b ”  › ¸

$ í

_  Bi

₂

O

3

, Nd

2

O

3

x 9  TiO

₂

" é ¶ « Ñì  r´ ú ˜`  ¦ B jò ø Í`  ¦ õ  t Ø Ô



ïm   ^  ¦`  ¦ s 6   x # Œ 24r ç ß – 1 l xî ß – 1  ^  ¦x 9 – Ð ™ D ¥½ + Ë 

%

i “ ¦, 80

^◦

C \ " f Ø  æì  r y  | › ¸ % i  . | › ¸  ) a ì  r´ ú ˜`  ¦ · ú ˜ À

Òp 
 • ¸m \  V , “ ¦, 840

^◦

C \ " f 2r ç ß – 1 l xî ß – ™ è 

%

i “ ¦, p [ jô  Ç ì  r´ ú ˜`  ¦ ë ß –[ þ t l 0 AK  1  ^  ¦x 9 õ  ° ú  “ É r › ¸|  Ü

¼– Ð 2  ^  ¦x 9 – Ð ™ D ¥½ + Ëô  Ç Ê ê | › ¸ % i  . 10 % polyviny- lalcohol(PVA) 6   xÓ  o`  ¦ 4 wt% ™ D ¥½ + Ëô  Ç Ê ê t 2 £ § 16 mm_  F

K+ þ Ad  ¦ \ " f · ú š $ í + þ Aô  Ç Ê ê, 950

^◦

C ∼ 1200

^◦

C_  “ : r • ¸

\

" f 50

^◦

C ç ß –  Ü ¼– Ð ™ è   # Œ þ j& h _  ™ è   › ¸| `  ¦ ¹ 1 Ô l

 0 Aô  Ç \ Vq z  ´+ « >`  ¦ % i  . þ j7 á x r « э  H XRD, x 9 • ¸ü <

Ã

º» ¡ ¤Ò  ¦`  ¦ 8 £ ¤& ñ # Œ 1000

^◦

C \ " f 2r ç ß – 1 l xî ß – ™ è   % i 



. r « Ñ_   © œ+ þ A$ í õ  › ' aº   ) a   & ñ  o : £ ¤$ í “ É r 20

^◦

< 2θ <

60

^◦

# 3 0 A_  XRD  r] X ‚  Ü ¼– Ð Â Ò'  › ¸ ÷ &% 3 “ ¦, ³ ð€   z Œ —

· ú

˜“ É r SEM  © œu \  ¦ s 6   x # Œ ì  r$ 3  % i  . „  l & h “   : £ ¤$ í

`

 ¦ › ¸  l  0 A # Œ ¿ ºa  0.3 mm_  n Û ¼ß ¼+ þ A r « Ñ\  ¦ ë ß –

Fig. 1. XRD patterns of Nd doped BNdT ceramics.

[ þ

t% 3 “ ¦, dc Û ¼( ' a A ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð r « Ñ_  € ª œA á ¤ €  \  €  & h 

€



• 30 mm

²

_  Ñ þ ˜F K„  F G`  ¦ 7 £ x‚ Ã Ì % i  . Ä »„   © œÃ º x 9  Ä »

„ 

’ < Hz  ´“ É r e ” x ~  Û ¼ ì  r$ 3 l  (HP4192A)\  ¦ s 6   x # Œ 100 Hz ∼ 13 MHz_  Å Ò à º # 3 0 Aü < 30 ∼ 600

^◦

C_  “ : r • ¸ # 3  0 A\ " f 8 £ ¤& ñ % i  . BNdT [ j b ” _  y © œÄ »„   s § 4 / B G‚  “ É r Sawyer-Tower  r– Ðü < n t _ O  š ¸z  ´– ÐÛ ¼ ïá Ô (TDS-210, Tektronix)\  ¦ s 6   x # Œ 8 £ ¤& ñ % i  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

1. X- Ò Å > H± n Ç Ä Z ØV Ä õ m Í Q c n°  o ƒ » ì ÅQ : g Œ º

Fig. 1“ É r BNdT0.75, BNdT0.80, BNdT0.85 x 9  BNdT 0.90 [ j b ” _  X-‚    r] X Á º] (\  ¦ 2θ = 20 ∼ 60

^◦

_   r] X  y

Œ

• # 3 0 A\ " f
  · p  כ s  . BNdT [ j b ” “ É r ' ‘   ) a Nd s

“ : r \  _ ô  Ç 2  © œ“ É r + þ A$ í ÷ &t  · ú §€ Œ ¤Ü ¼ 9, BITü < 1 l x{ 9 ô  Ç



r] X Á º] (\  ¦
 ? /% 3  . q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ½ ¨› ¸\  ¦
 ? /  H (117)  r] X  x s ß ¼`  ¦ q 2 Ÿ © # Œ { 9 ~ ½ Ó& ñ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô

½

¨› ¸\  K { © œ   H  r] X ‚  s 
 z Œ ¤ .   " f BNdT [ j



b ” “ É r q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô  © œ\  K { © œ   H  r ] X

 x s ß ¼\  ¦ ˜ Ðs  9, s   r] X  Á º] ( BIT_   r] X  x s ß ¼ ü

< { 9 u    H  כ Ü ¼– Ð ^  ¦ M : x = 0.75 ∼ 0.90_  # 3 0 A\ " f Nd s “ : r ' ‘   H q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ+ þ A ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸

\

  H % ò † ¾ Ó`  ¦ p u t  · ú §“ É r  כ Ü ¼– Ð ˜ Г   .

8

£

¤& ñ  ) a BNdT [ j b ” _  x 9 • ¸ 7.57 ∼ 7.62 g/cm

³

  H BIT [

j b ” _  x 9 • ¸ 7.52 g/cm

³

\  q K  €  •ç ß – 7 £ x  % i “ ¦, s 



 H Nd s “ : r_  ' ‘ ´ òõ – Ð ˜ Г   . Fig. 2  H BIT [ j b ” õ  BNdT [ j b ” _  z Œ —· ú ˜ ³ ð€  p [ j½ ¨› ¸\  ¦ ˜ Ð# ŒÅ ҍ  H SEM  

”

 s  . BIT [ j b ” _  z Œ —· ú ˜“ É r ó ø Í © œ— ¸€ ª œÜ ¼– Ð ¨ î ç  H ß ¼l   H 7 µm s  . Õ ª Q
 Nd ' ‘ ÷ &% 3 `  ¦ M :, z Œ —· ú ˜ — ¸€ ª œ“ É r · û ª

“ É

r ó ø Í © œ\ " f |   } Œ •@ / — ¸€ ª œÜ ¼– Ð  7 % 3 Ü ¼ 9, BNdT0.90\ 

"

f  H z Œ —· ú ˜ ß ¼l   Œ • t €  " f Ñ ü æ  H — ¸€ ª œÜ ¼– Ð ¨ î ç  H ß ¼l 

Fig. 2. SEM images of Nd doped BNdT ceramics.

Fig. 3. Temperature dependences of dielectric constant of BNdT ceramics.



 H €  • 3 µm% i  . BIT\  Nd_  ' ‘ \    É r z Œ —· ú ˜    o  H z

Œ

—· ú ˜_  $ í  © œ ~ ½ ӆ ¾ Óõ • ¸ x 9 ] X ô  Ç › ' aº  s  e ”   H  כ Ü ¼– Ð # Œ 

”

  . XRD ì  r$ 3 Ü ¼– РÒ' , BIT r « э  H c-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó_  (008) x

ß ¼ ß ¼> 
 z Œ ¤t ë ß –, Nd ' ‘ ÷ &€   (00l) x s ß ¼_  [

jl  ß ¼>  y Œ ™™ è÷ &% 3 “ ¦, s  כ “ É r q  c-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó$ í Ü ¼– Ð_  y

© œô  Ç $ í  © œs 
 z Œ ™`  ¦ _ p ô  Ç .   " f X‚    r] X ì  r$ 3  õ

 SEM_    õ [ þ t – Ð Â Ò'  é ß –{ 9  © œ(single phase)s  ¸ ú ˜ + þ A

$ í

 ) a BNdT [ j b ” s  ] j› ¸  ) a  כ Ü ¼– Ð ˜ Г   .

2. Æ X Øy ¢ õ m Í — ¤ • ¤; c    \ ¥ P ê s– ¥ ¹ Å — ¤V R Ë - – ¥ ¹ ÅV ê s• ¤ Ñ

÷ – ¥ ¹ Å Å X Ø÷ m Ç

Fig. 3“ É r 1 MHz_  Å Ò à º\ " f 8 £ ¤& ñ  ) a “ : r • ¸\    É r BIT x 9  BNdT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ ºs  . BIT_   © œ„  s (Ç © o

) “ : r • ¸  H 645

^◦

C, BNdT0.75  H 448

^◦

C, BNdT0.80  H 416

^◦

C, BNdT0.85  H 377

^◦

C x 9  BNdT0.90  H 344

^◦

C – Ð
 

z Œ ¤“ ¦, Nd_  ' ‘ | ¾ Ós  7 £ x † < Ê\      © œ„  s  “ : r • ¸ y Œ ™

™

è % i  . ¢ ¸ BNdT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ º x s ß ¼  H Nd_  '

‘ | ¾ Ó\     & h & h  ¢ - aë ß –K t   H : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs “ ¦ e ”  .  

Table 1. Dielectric constant, loss and phase transition- temperature of BIT and BNdT ceramics at 1 MHz.

Ceramics T

c

(

^◦

C) Dielectric Constant tanδ

R.T. T

c

R.T.

BIT 645 167 642 0.0112

BNdT0.75 450 174 479 0.0603 BNdT0.80 418 143 369 0.0055 BNdT0.85 379 158 481 0.0044 BNdT0.90 350 179 407 0.0070



" f  © œ„  s “ : r • ¸ü < Ä »„   © œÃ º x s ß ¼_     o  H Nd s “ : r u

 ¨ 8 Š \    É r : £ ¤$ í Ü ¼– Ð ˜ Г   . ¢ - aë ß –ô  Ç  © œ„  s  : £ ¤$ í “ É r ¢ - a



o+ þ A y © œÄ »„  ^ ‰ (Sr,Ba)Nb

2

O

₆

(SBN) x 9  Pb(Mg, Nb)O

₃

(PMN) [16] 1 p x \ " f
 
  H  © œ„  s   1 l x õ  Ä »   9, Nd s “ : r_  u  ¨ 8 Š \      Òì  r& h Ü ¼– Ð   É r  © œ„  s  : £ ¤$ í `  ¦

4 R
 
  H : £ ¤$ í Ü ¼– Ð K $ 3  ) a  . Table 1“ É r ‘ : r z  ´+ « >\ 

"

f 8 £ ¤& ñ ô  Ç BITü < BNdT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ º, Ä »„  ’ < Hz  ´,

 ©

œ„  s “ : r • ¸\  ¦
  · p  כ s  .

z 

´“ : r  H % ƒ\ " f BIT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ ºü < Ä »„  ’ < Hz  ´“ É r y

Œ

•y Œ • 167, 0.0112– Ð
 z Œ ¤ . ¢ ¸ W 1š ¸n ¹ ¡ § s  ' ‘   ) a BNdT [ j b ” _  Ä »„   © œÃ ºü < Ä »„  ’ < Hz  ´“ É r y Œ •y Œ • 143 ∼ 179, 0.0044 ∼ 0.0603– Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3  . x = 0.80 ∼ 0.85 { 9  M :, Ä

»„  ’ < Hz  ´“ É r y Œ ™™ è # Œ  © œ  Œ •“ É r ° ú כ`  ¦
 ? /% 3  . ‘ : r z  ´ +

« >\ " f x = 0.75 ∼ 0.90\ " f, Nds “ : r s  7 £ x † < Ê\     Ä

»„   © œÃ º x s ß ¼_  ¢ - aë ß –ô  Ç : £ ¤$ í õ   © œ„  s  “ : r • ¸_  y Œ ™™ è

\

 ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” Ü ¼ 9, s    õ   H SBN \ " f Nbs “ : r @ /’   Ta s “ : r_  u  ¨ 8 Š| ¾ Ós  7 £ x † < Ê\      © œ„  s  “ : r • ¸ y Œ ™™ è

“ ¦ Ä »„   © œÃ º_  x s ß ¼ ¢ - aë ß –K t   H   õ ü < Ä »    [16].

Fig. 4. (a) Ferroelectric P-E hyteresis loops and (b) Re-

manent polarization and coercive field

3. P ê s– ¥ ¹ Å T  I í Ä Œ Ÿ ¤ Ò Å õ m Í  ¹ ÅM  ¹ Åy ¢y ¢ — ¤V R Ë

Fig. 4 (a) ü < (b)  H BIT ü < BNdT [ j b ” \  86 kV/cm_ 

„ 

l  © œs  K & ’ `  ¦ M : y © œÄ »„   s § 4 / B G‚  õ  s  / B G‚  Ü ¼– Ð Â

Ò'  % 3 “ É r ï ß –À Óì  rF G(P

r

) õ  † ½ ӄ  l  © œ(E

c

)`  ¦
 ? /% 3  .

BIT x 9  BNdT [ j b ” _  Ä »„  s § 4 / B G‚  “ É r @ /g A`  ¦ s À Ò 9, Nd_  u  ¨ 8 Š| ¾ Ó\     s § 4 / B G‚  _  — ¸€ ª œs  › ¸F K    

%

i  . BNdT [ j b ” _  ï ß –À Óì  rF G“ É r BIT [ j b ” \  q K  q

“ §& h   H ° ú כs % 3 “ ¦, BNdT0.85 [ j b ” _   â Ä º ï ß –À Óì  r F G(P

r

) ° ú כs  11.06 µC/cm

²

Ü ¼– Ð þ j@ / ° ú כ`  ¦
 ? /% 3  .

s

 M : BNdT0.85 [ j b ” _  † ½ ӄ  l  © œ ß ¼l   H E

c

= 50.5 kV/cm – Ð
 z Œ ¤Ü ¼ 9, Nd_  € ª œs  7 £ x † < Ê\     " f" fy  y

Œ ™™ è % i  . BIT   & ñ “ É r a-» ¡ ¤ \    É r ì  rF G_  ß ¼l   H 45

∼ 50 µC/cm

²

_   H° ú כ`  ¦ ° ú   H X < q K  c-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó\    É r ì

 rF G_  ß ¼l   H 5 µC/cm

²

_   Œ •“ É r ° ú כ`  ¦ ° ú   H  כ Ü ¼– Ð · ú ˜ 9 4

R e ”   [8–12].   " f q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s × ¼

½

¨› ¸\ " f Bis “ : r( s “ : rì ø Í â r = 0.117 ˚ A) \  q K  s “ : r ì ø Í

 â

s   Œ •“ É r Nd s “ : r( r = 0.111 ˚ A)_  u  ¨ 8 Š“ É r í ß –™ è¼ 1 π  ^ ‰ _  ~ Õ ª Qf ” \  _ K  ï ß –À Óì  rF G_  ß ¼l \  ¦ 7 £ x r ~  ´ à º e ”  Ü

¼ 9,   É r ô  Ç ¼ # Ü ¼– Ð q  c-» ¡ ¤ z Œ —· ú ˜ C † ¾ Ó : £ ¤$ í Ü ¼– Ð ï ß –À Ó ì

 rF G_  ß ¼l  7 £ x    H  כ Ü ¼– Е ¸ K $ 3  ) a   [15]. Table 2  H ‘ : r z  ´+ « >\ " f % 3 “ É r BIT ü < BNdT [ j b ” _  ï ß –À Óì  rF G,

†

½ ӄ  l  © œ x 9  „  l „  • ¸• ¸\  ¦
  · p  כ s  .

Fig. 5  H 1 MHz_  Å Ò à º\ " f 8 £ ¤& ñ  ) a “ : r • ¸\    É r BIT ü < BNdT [ j b ” _  “ §À ӄ  l „  • ¸• ¸(ac conductivity, σ)\  ¦
  · p  כ s  . €  • 230

^◦

C\  ¦ l ï  r Ü ¼– Ð “ §À ӄ  l „  

•

¸• ¸  H Z  }“ É r “ : r • ¸% ò % i õ  ± ú “ É r “ : r • ¸% ò % i Ü ¼– Ð
¾ º# Q”   .

BIT [ j b ” \  q K  BNdT [ j b ” _  „  l „  • ¸• ¸  H y Œ ™™ è

% i Ü ¼
 Z  }“ É r “ : r • ¸ % ò % i \ " f  H " f– Ð q 5 p wô  Ç ° ú כ`  ¦ ˜ Ð% i 



. ô  Ǽ #  ± ú “ É r “ : r • ¸ % ò % i \ " f BNdT [ j b ” “ É r " f– Ð   É r

° ú

כ`  ¦ & ’ Ü ¼
 BNdT0.80ü < BNdT0.85[ j b ” “ É r €  •ç ß – ± ú 

“ É

r „  l „  • ¸• ¸\  ¦ ˜ Ðs “ ¦ e ”  . s    õ   H Bi s “ : r @ /’   Nd s “ : r_   Òì  r& h “   u  ¨ 8 Š \  _ ô  Ç  כ Ü ¼– Ð ˜ Г   . q Û ¼Á º Û

¼ 8 £ x © œ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H BNdT [ j b ” “ É r pseudo tetragonal

½

¨› ¸\  ¦ “ ¦ c-» ¡ ¤`  ¦    Bi

²

O

2

8 £ x  s \  3> h_  ` …– ÐÚ Ô

Table 2. Remanent polarization, coercive field and ac conductivity of BIT and BNdT ceramics.

Ceramics P

r

E

c

σ

(µC/cm

²

) (kV/cm) ((Ωcm)

⁻¹

)

BIT 5.20 26.7 4.10 ×10

⁻⁶

BNdT0.75 7.50 53.3 2.93 ×10

⁻⁶

BNdT0.80 8.30 53.2 1.40 ×10

⁻⁶

BNdT0.85 11.05 50.3 1.80 ×10

⁻⁶

BNdT0.90 8.20 49.3 2.80 ×10

⁻⁶

Fig. 5. Temperature dependences of ac conductivity of BNdT ceramics.

Û

¼ s à Ô é ß –0 A[ jŸ í(perovskite-like unit cell) Á ú ¢# Œ e ” 



 H ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í “ ¦ e ”  . s ü < ° ú  “ É r q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …

–

ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô y © œÄ »„  ^ ‰\ " f  H í ß –™ è‘   o ü < € ª œ/ B N s  



© œ ¹ ¡ §f ” s l  / 'î  r „    | ¨ c à º e ” “ ¦ [17], s  „    „   l

„  • ¸\  l # Œ   H  כ Ü ¼– Ð ^  ¦ à º e ”  .   " f Ô  ¦î ß –& ñ ô  Ç Bi s “ : r @ /’   Nd s “ : r_  u  ¨ 8 Š \     „  l „  • ¸\  % ò † ¾ Ó

`

 ¦ Šҍ  H í ß –™ è‘   o  ¢ ¸  H € ª œ/ B N s  y Œ ™™ è   H  כ Ü ¼– Ð ˜ Г  



 [18].

Z O

ß ¼ BIT  H  H ï ß –À Óì  rF G ° ú כ`  ¦ t “ ¦ e ” Ü ¼
, ~ à Ì} Œ •“ É r B

Ä º ± ú “ É r Û ¼0 Ag A ì  rF G ° ú כ`  ¦ t  9, ì  rF G % i „  \     x

– Ð : £ ¤$ í s 
 è ß – . s „  _  ƒ  ½ ¨\  _  €   Ti-O í ß –™ è

¼

1 π  ^ ‰\  ¦ Ÿ í† < Ê   H ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô 8 £ x_  Bis “ : r s  Las 

“

: r Ü ¼– Ð u  ¨ 8 Š ÷ &l  M :ë  H \  í ß –™ è s “ : r`  ¦ î ß –& ñ r v “ ¦ s – Ð

“

 K  ì  rF G x – Ð y Œ ™™ è÷ &  H  כ Ü ¼– Ð [ O " î  ) a   [8]. : £ ¤ y ,

`

…– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô 8 £ x \  e ”   H í ß –™ è‘   o   H 6 fµ 1 Ï: £ ¤$ í `  ¦ 

”

  Bi € ª œ/ B N õ  1 l xì ø Í # Œ „  l  © œ\  _ ô  Ç ì  rF G x – Ð\  ¦ 4 R ü

< y © œÄ »„  : £ ¤$ í s  $  ÷ &  H  כ Ü ¼– Ð · ú ˜ 94 R e ”  .   " f

&

h “ É r € ª œ_  Nd  H ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô 8 £ x_  Bi  o \  Ä º‚   u

 ¨ 8 Š ÷ &t ë ß –, u  ¨ 8 Š| ¾ Ós  7 £ x  €   ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô8 £ x_  Bi



o ü < † < Êa  q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x_  Bi  o \  u  ¨ 8 Š ÷ &  H  כ Ü ¼– Ð

˜

Г    [15]. & h “ É r € ª œ_  u  ¨ 8 Š_   â Ä º, ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô 8 £ x Bi  o _  q 6 fµ 1 Ï Nd_  u  ¨ 8 Š“ É r Ti-O í ß –™ è¼ 1 π  ^ ‰_  í ß –™ è s

“ : r`  ¦ î ß –& ñ r v  9, s   H / B I í ß –™ è‘   o _  y Œ ™™ èü < „  l 

„ 

• ¸_  y Œ ™™ è\  ¦ 4 R“ : r  .   " f „  l  © œ\  _ ô  Ç ì  rF G x 

–

Ð : £ ¤$ í s  † ¾ Ó © œ÷ & 9, s ü < † < Êa  y © œÄ »„   : £ ¤$ í s  † ¾ Ó © œ÷ &  H

 כ

Ü ¼– Ð s K   ) a   [17,18].

‘

: r z  ´+ « >\ " f Nd s “ : r s  u  ¨ 8 Š ÷ &% 3 `  ¦ M :, z Œ —· ú ˜ ß ¼l 

y

Œ ™™ è % i “ ¦, q  c-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð $ í  © œ % i  . s \    

BNdT [ j b ” _  ï ß –À Óì  rF G“ É r BIT \  q K  ß ¼>  7 £ x  

%

i “ ¦, x = 0.85 { 9  M :,  © œ  H ° ú כ`  ¦ 4 R La u  ¨ 8 Š \    É r y

© œÄ »„   : £ ¤$ í _  † ¾ Ó © œõ   ð ø Ít – Ð Nd s “ : r u  ¨ 8 Š • ¸ y © œÄ »

„ 

 : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó © œr †   . s  y © œÄ »„   : £ ¤$ í _  † ¾ Ó © œ“ É r  © œ@ /& h  Ü

¼– Ð s “ : rì ø Í â s   Œ •“ É r Nd s “ : r u  ¨ 8 Š \  _ ô  Ç í ß –™ è¼ 1 π  ^ ‰ _

   + þ Aõ    É r ô  Ǽ # Ü ¼– Ѝ  H q  c-» ¡ ¤ ~ ½ ӆ ¾ Ó z Œ —· ú ˜_  $ í  © œ\  _ K  ï ß –À Óì  rF G s  † ¾ Ó © œ÷ &  H   õ – Ð K $ 3  ) a  . s ü < † < Êa  Nd ' ‘ | ¾ Ós  x = 0.80 ∼ 0.85 \ " f „  l „  • ¸• ¸ y Œ ™™ è % i 



.   " f ‘ : r z  ´+ « >`  ¦ : Ÿ x K  % 3 “ É r   õ – Ð Â Ò'  í ß –™ è‘    o

\  ¦ y Œ ™™ èr v “ ¦  H ï ß –À Óì  rF G õ  ± ú “ É r „  l „  • ¸• ¸\  ¦ % 3 

`

 ¦ à º e ”   H 0 p xô  Ç Nd_  ' ‘ | ¾ ӓ É r x = 0.80 ∼ 0.85 & ñ • ¸

“

   כ Ü ¼– Ð
 z Œ ¤ .

IV. + s Ç Â ] Ø

q

Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x © œ ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H Bi

4

Ti

₃

O

12

(BIT) [ j b ” \ " f Bi

⁺³

s “ : r @ /’   Nd

⁺³

s “ : r`  ¦ u 

¨ 8

Š # Œ “ ¦ © œì ø Í6 £ xZ O Ü ¼– Ð Bi

4−x

Nd

_x

Ti

₃

O

₁₂

(BNdT, x = 0.75, 0.80, 0.85, 0.90) [ j b ” `  ¦ ] j› ¸ % i “ ¦, Nd u  ¨ 8 Š s  z

Œ

—· ú ˜ p [ j½ ¨› ¸, y © œÄ »„   x 9  „  l „  • ¸ : £ ¤$ í \  p u   H % ò

†

¾ Ó`  ¦ ƒ  ½ ¨ % i  . x= 0.75 ∼ 0.90\ " f BNdT [ j b ” “ É r é

ß –{ 9  © œ_  8 £ x © œ+ þ A ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô ½ ¨› ¸\  ¦ & ’ “ ¦, Nd_  '

‘ | ¾ Ós  7 £ x † < Ê\      © œ„  s  “ : r • ¸  H y Œ ™™ è % i “ ¦, Ä »

„ 

 © œÃ º_  x s ß ¼ & h & h  ¢ - aë ß –ô  Ç S X ‰í ß –  © œ„  s  y © œÄ »„   : £ ¤

$ í

`  ¦
 ? /% 3  . Nd s “ : r_  u  ¨ 8 Š“ É r y © œÄ »„   : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó



© œr (  Ü ¼ 9, : £ ¤ y  x = 0.85“   BNdT0.85 [ j b ” \ " f ï ß – À

Óì  rF G_  ß ¼l   H P

r

= 11.06 µC/cm

²

Ü ¼– Ð þ j@ /° ú כ`  ¦ ˜ Ð

%

i  . † ½ ӄ  l  © œ“ É r Nd ' ‘ | ¾ Ós  7 £ x † < Ê\     y Œ ™™ è % i 

“

¦, x = 0.90“   BNdT0.90 [ j b ” \ " f þ j™ è° ú כ E

c

= 49.3 kV/cm`  ¦
 ? /% 3  .   " f Bis “ : r @ /’   Nds “ : r s  u 

¨ 8

Š ÷ &% 3 `  ¦ M :, ï ß –À Óì  rF G_  ß ¼l   H 7 £ x  % i “ ¦, „  l „  • ¸

•

¸ y Œ ™™ è % i  . x = 0.80 ∼ 0.85\ " f Z  }“ É r ï ß –À Óì  rF G õ 



Œ

•“ É r „  l „  • ¸• ¸\  ¦ 4 R y © œÄ »„   B j— ¸o  6 £ x6   x \   © œ Ä » o

ô  Ç y © œÄ »„   x 9  „  l „  • ¸ : £ ¤$ í `  ¦ ° ú   H  כ Ü ¼– Ð
 z Œ ¤ .

P c

p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r 2002¸  • ¸ ô  Dz D G† < ÆÕ ü t”  < É ª F é ß –_  t " é ¶(KRF- 2002-050-C00006) \  _  # Œ ƒ  ½ ¨÷ &% 3 6 £ §.

Y c

p w Š à U Ø ”  ô

[1] H. N. Al-Shareef, A. I. Kingon, X. Chen, K. R. Bel- lur and O. Auciello, J. Mater. Res. 9, 2968 (1994).

[2] I. W. Kim, C. W. Ahn, J. S. Kim, J. S. Bae, B. C.

Choi, J. H. Jeong and J. S. Lee, Appl. Phys. Lett.

80, 4006 (2002).

[3] A. Gruverman, O. Auciello and H. Tokumto, Appl.

Phys. Lett. 69, 3191 (1996).

[4] B. Sih, A. Jung and Z. -G. Ye, J. Appl. Phys. 92, 3928 (2002).

[5] B. Aurivillius, Nature 2, 519 (1950).

[6] C. A. Paz de Araujo, J. D. Cuchiaro, L. D. McMillan and M. C. Scott, J. F. Scott, Nature 374, 12 (1995).

[7] Y. Noguchi and M. Miyayama, Appl. Phys. Lett. 78, 1903 (2001).

[8] B. H. Park, B. S. Kang, S. D. Bu, T. W. Noh, J.

Lee and W. Jo, Nature (London) 401, 682 (1999).

[9] Y. Ding, J. S. Liu, H. X. Qin, J. S. Zhu and Y. N.

Wang, Appl. Phys. Lett. 78, 4175 (2001).

[10] J. S. Kim, C. W. Ahn, and I. W. Kim, Sae Mulli 46, 161 (2003).

[11] M. M. Kumar and Z. -G. Ye, J. Appl. Phys. 90, 934 (2001).

[12] J. S. Kim, J. Korean Phys. Soc. 43, 1081 (2003).

[13] A. Garg, Z. H. Barber, M. Dawber, J. F. Scott, A. Snedden and P. Lightfoot, Appl. Phys. Lett. 83, 2414 (2003).

[14] U. Chon, H. M. Jang, M. G. Kim and C. H. Chang , Phy. Rev. Lett. 89, 087601-1 (2002).

[15] T. Kojima, T. Watanabe, H. Funakubo, K. Saito, M. Osada and M. Kakihana, Appl. Phys. Lett. 93, 1707 (2003).

[16] L. E. Glass, J. Apll. Phys. 40, 4699 (1969).

[17] M. Takahashi, Y. Noguchi and M. Miyayama, Jpn.

J. Appl. Phys. 41, 7053 (2002).

[18] S. T. Zhang, X. J. Zhang, H. W. Cheng, Y. F. Chen,

Z. G. Liu, N. B. Ming, X. B. Hu, and J. Y. Wang,

Appl. Phys. Lett. 83, 4378 (2003).

Effects of Nd Doping on Ferroelectric and Electrical Properties of Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ Ceramics

Sun Young LEE, Hai Joon LEE, Sun Hee Kang and Ill Won KIM Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749

Jin Soo KIM

^∗

Institute of Basic Science, University of Ulsan, Ulsan 680-749 (Received 20 February 2004)

Nd-doped Bi

4−x

Nd

x

Ti

3

O

12

(BNdT, x = 0.75, 0.80, 0.85, 0.90) were prepared by solid state reaction method. X-ray diffraction analysis indicated that single-phase of Bi layered perovskite was obtained. The Nd doping effects on ferroelectric and electrical properties of BNdT ceramics were investigated by XRD, SEM, ferroelectric P-E hysteresis loop, dielectric constant and ac electrical conductivity measurements. With incerasing Nd-substitution, the Curie temperatures decreased and the broadness of the dielectric constant peaks increased, thus the transition behavior of BNdT ceramic was characterized by the diffusive phase transition. When Nd ion was doped, the remanent polarization increased and conductivity decreased by the substitution of Nd for Bi in the layered perovskite. The optimum condition for FRAM application was x = 0.80 ∼ 0.85 for high remanent polarization and low conductivity.

PACS numbers: 11.10.Ef, 11.15.Tk

Keywords: FRAM, P-E hysteresis, Dielectrics, Electrical conductivity, Ferroelectric

∗

E-mail: [email protected]