Les premieres phases ferroelectriques oxyfluorees de type “bronzes oxygenes de tungstene quadratiques”

Les premieres phases ferroelectriques oxyfluorees de type “bronzes oxygenes de tungstene quadratiques”

Mat. Res. Bull. Vol. 7, pp. 473-478, in the United States. LES DE PREMIERES TYPE PHASES " BRONZES 197Z. Pergamon FERROELECTRIQUES OXYGENES D...

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Mat. Res. Bull. Vol. 7, pp. 473-478, in the United States.

LES DE

PREMIERES

TYPE

PHASES

" BRONZES

197Z.

Pergamon

FERROELECTRIQUES

OXYGENES

DE

TUNGSTENE

Press,

Inc.

Printed

OXYFLUOREES QUADRATIQUES

"

J. Ravez, D. T o u r n e u r et P. H a g e n m u l l e r Service de C h i m i e min@rale structurale de l'Unlversit@ de B o r d e a u x I, associ@ au C N R S , 351, cours de la Lib@ration, 33 - Talence, F r a n c e (Received M a r c h

9, 197Z; C o m m u n i c a t e d

by P. H a g e n m u l l e r )

ABSTRACT T h e substitution of fluorine by oxygen in the phase Sr K N b O 2 5 15 has permitted the syntheses of a series of oxyfluoride c o m pounds b e t w e e n S r 2 K N b 5 0 1 5 et S r 2 1 ~ b 5 0 1 4 F . Analysis by X - ray diffraction s h o w s that these phases crystallize in the "tetragonal tungsten bronze" structure. All these c o m p o u n d s appear to be ferroelectric. T h e increase in the rate of substitution of fluorine brings about a decrease in the Curie t e m p e r a ture and the melting point.

E e niobate de b a r y u m "bronzes oxyg@n~s

et de s o d i u m B a 2 N a N b 5 0 1 5

de tungst~ne quadratiques" est un c o m p o s ~

de structure ferro@lectri-

que qui pr~sente des propri@t@s int~ressantes en optique non lin@aire (l ~ 4). U n certain n o m b r e ( A = Ca, Sr, Ba

de phases de m ~ m e ; B = Ca, Sr, Ba

type et de formule A B C N b 5 0 1 5 ; C = Na, K ) pr~sentent des propri~t~s

analogues (5 ~ I0), une ~tude comparative a @t@ r ~ c e m m e n t

r~alis~e (]l).

Ii nous a paru int~ressant de preparer des phases de c o m p o s i tion et de structure analogues dans lesquelles l'oxyg~ne serait en partie r e m plac~ par le fluor. Cette substitution se justifiait pour plusieurs raisons : -

le fluor qui est l'anion le plus @lectron~gatif i m p o s e une locali

sation ~lectronique importante,

qui entraffne g ~ n ~ r a l e m e n t des permittivit~s

tr~s @lev~es (~ titre d'exemple les fluorures des terres rares sous f o r m e 473

474

BRONZES OXYGENES DE TUNGSTENE

Vol.

7, No. 5

monocristalline posshdent des permittivit4s de l'ordre de 106h 20°C)(IZ). - la substitution du fluor ~ l'oxyghne provoque un a b a i s s e m e n t sensible du point de fusion, qui facilite l'obtention de monocristaux. N o u s nous s o m m e s

propos4s dans un p r e m i e r t e m p s de substi-

tuer le fluor h l'oxyghne dans la phase S r 2 K N b 5 0 1 5 .

Ze niobate de strontium-

p o t a s s i u m cristallise h t e m p e"r a t u r e ambiante avec la sym4trie quadratique et les p a r a m ~ t r e s : a = 12,470

+

0,006

o A

+

0,00g

A

o

c =

3,937

S r g K N b 5 0 1 5 posshde une transition ferro~lectrique

)para~lectrique h 1 6 4 ° C

(ll). E a perte de charge due au r e m p l a c e m e n t de l'oxyghne par le fluor sera c o m p e n s 6 e par la substitution du p o t a s s i u m au strontium. Z e s r4actions de pr4paration sont r4alis4es ~ 1 2 0 0 ° C en tubes de platine scell4s sous oxyghne sec ~ partir des niobates de potassium et de strontium, de N b 2 0 5 et de S r F 2 : (l+x)KNbO 3 +

(2- ~ - ) S r N b 2 0 6 + x N b g O 5

--~S rF Z--) SrZ _xKl +x N b 5015 -xFx N o u s avons limit4 notre tra-

i

vail h l'intervalle de c o m p o s i tion 0 $ x ~< l, ce qui revenait 12.60 h 4tudier le syst~meSrzKNb5Ol5" S rKz N b 5 0 1 4 £`• N o u s obtenons une solu. 12.S0 tion solide sans lacune de miscibilit4. Celle-ci posshde, h t e m p e"r a t u r e ambiante la s y m 4 3.95

trie quadratique (8). L a figu-

¢

re l m o n t r e la variation des p a r a m ~ t r e s a et c en fonction 3,94

de x. L e p a r a m ~ t r e a varie de fa~on sensiblement lin4aire de

i 0

o

q~,s

Q~o

o,7s

,, "

FIG. 1 Variation des p a r a m ~ t r e s des mailles cristallines avec la composition

iz,470 A (SrzKNbsO15) 12,594 + 0,008 A(SrKzNbsOI4F), h a courbe de variation de c

Vol.

7, N o .

5

BRONZES

OXYGENES

c o m p o r t e deux parties: de S r g K N b 5 0 1 5

DE TUNGSTENE

475

~ Srl,SKI,5NbOI4,5F0,5

c croft avec

x, rnais garde ensuite une valeur pratiquement constante lorsque x varie de o

0, 5 ~ I (c = 3,945 + 0,002 A

pour × = l).

g e strontium et le p o t a s s i u m dont les rayons ioniques sont proo

ches (rsrZ4 = l , ] 6 A ,

o

rld+ = 1,38A)(] 3), se r~partissent p r o b a b l e m e n t

de m a -

nitre d ~ s o r d o n n ~ e dans les canaux de la phase S r 2 K N b 5 O l 5 . L a variation continue de a sernble irnpliquer que cette distribution reste d ~ s o r d o n n ~ e au sein de la solution solide ; la croissance de a est u n i q u e m e n t due ~ la substitution de Sr2+par K + de taille

16g~r ement

Cd

sup6rieure. Nous

avons

v~rifi6 par A. T. D. que ,.0,2

la ternp~rature de fusion d6cro~ssait lorsque le

2000

taux en fluor augn~r~ait : FSr2KNb 5 O15

:

4v0oc(9)

FSrK 2Nc 5014 F = 1 3 2 0 + 2 0 o C N o u s avons

I000

).'o°,i

r6alis~ une ~tude des propri~t~s di~iectriques des phases obtenues.

Les

==0,8

constantes di~lectriques r6elles et les facteurs de

O

perte sont d 6 t e r m i n 6 s

~d

l'aide d'un pont de capaci-

P00

t6 G6n~ral Radio de type 716c ; toutes les manipulations sont faites sous h6-

100

lium. L e s 6chantillons se ,~0

pr~sentent sous forrne de 0 pastilles de ] 3rnrn de dianq~tre et de I ~ 2 r a m d'6paisseur ; ces pastilles

100

200

300

400

500

FIG. 2 Variation de ~' et ~ " e n fonction de la temperature, ~ la fr~quence de 1KHz.

K

476

BRONZES OXYGENES DE TUNGSTENE

sont fritt~es ~ 1 2 5 0 ° C

Vol.

7, No.

5

en tubes de platine scell~s sous o x y g ~ n e sec. L e s

~lectrodes sont r~alis~es en incrustant des feuilles d'or de 5 ~I d'~paisseur sur les faces circulaires des ~chantillons. Z a figure 2 m o n t r e temperature maxima

les variations de ~' et de ~" en fonction de la

p o u r diverses valeurs de x. T o u t e s ces p h a s e s pr~sentent des

pour c' ; lorsque x = l la capacit~ cro~t q u a n d la t e m p e r a t u r e

cro~t, ce qui laisse p r e s a g e r un pic ~ b a s s e t e m p e r a t u r e ,

d~-

m a i s notre a p p a -

reillage ne nous p e r m e t t a n t pas de travailler en-dessous de 100 K celui-ci n'a p u ~tre m i s en ~vidence. D a n s tous les cas la t e m p e r a t u r e lorsque x a u g m e n t e

,"il e n e s t de m ~ m e

des m a x i m a

de ~' d~crol't

pour les variations de e,~. N o u s r e m a r

q u o n s que lorsque le taux en fluor a u g m e n t e

la valeur m a x i m a l e

de ~' crol't

jusqu'h × = 0,2, valeur p o u r laquelle c'

= 2940, constante s e n s i b l e m e n t max double de celle obtenue pour x = 0, c' d i m i n u e ensuite pour disparal~re max p r a t i q u e m e n t lorsque x = ] ; l'~volution est analogue pour ~". C e s m e s u r e s n'~tant pas r~alis~es sur monocristal, mais

relatives.

les valeurs de ~' ne sont pas absolues,

Bien que les constantes obtenues soient difficilement c o m p a -

rables, les t e m p e r a t u r e s l'existence d'un m a x i m u m

optimales de frittage variant a v e c la composition, vers x = 0,2 n'en est pas m o i n s

significative. O r

la valeur ~'

pour x = 0 (Sr2KNbsO ) m e s u r ~ e sur m o n o c r i s t a l est supSmax 15 rieure ~ 1 0 . 0 0 0 (5) ; nous v o y o n s ainsi l'int6r~t que peut pr6senter une faible substitution de l'o×yg~ne par le fluor pour certaines applications dans le do-

maine

de l'61ectronique. Afin de s'assurer de la p r 6 s e n c e de transitions ferro61ectri-

que~para61ectrique quence

nous a v o n s r6alis4 une 6tude en fonction de la fr6-

: les t e m p 6 r a t u r e s

de c'

sont ind6pendantes de celle-ci, ce qui max

e x c l ~ des p h 6 n o m ~ n e s

de relaxation dipolaire (fig. 3).

L a figure 4 m o n t r e la composition. d6terminer

T

d6cro~ c la t e m p 6 r a t u r e

la variation des t e m p 6 r a t u r e s

lorsque x a u g m e n t e ,

g a courbe obtenue p e r m e t de

de Curie de S r K 2 N b 5 O I 4 F

Tc (SrKzNb5OI4F)

=

95

de C u r i e a v e c

par extrapolation :

_+ 15 K

L a substitution du fluor h l'o×yg~ne entrai*ne un r a c c o u r c i s s e -

Vol. 7, No.

5

BRONZES

m e n t rnoyen des liaisons N b ¢~(=O,F).

Les d~placements

OXYGENES

DE

TUNGSTENE

477

X

de

?
12001

N b X 6 s'effectuent d o n c plus dlfficilem e n t clans une direction privil@gi@e (001) et l'@nergie t h e r m i q u e n @ c e s s a i r e pour rendre routes les

r

I000

x

J

q

I

x,,

positions e x c e n t r @ e s @ g a l e m e n t probables d@cro~

avec le taux en

ri

fluor, ce qui explique la diminution de T

. . . . .

---.o.---

°.""

1 k~ I0 k Hz

avec ×. 800

C

Conclusions L a substitution du fluor ~ l'oxyghne dans la phase Sr2KNbsO]5

a permis

u n e solution solide de c o m p o s i t i o n interm@diaire entre Sr21KI',b5015

et S r K 2 N b 5 0 1 4 F .

6

de f o r m e r

,oo

26o

~

FIG. 3 Variations de ~' en fonction de la temperature 5_ d i v e r s e s f r g q u e n c e s p o u r la composition ×=0,4

Toutes les (K)

phases

cristallisent

rature

ambiante

?t t e m p g -

a v e c la s g m g t r i e 40O

quadratique

et la s t r u c t u r e

z e s o × y g g n ~ s de t u n g s t ? n e dratiques".La variation m~tres

de la m a i l l e

"bronqua-

des para-

30O

cristalline

e n f o n c t i o n du t a u x en f l u o r a g t g dgterminge.

200

Toutes ces phases sont ferro~lectriques. peratures

Les tem-

de C u r i e v a r i e n t de

4 3 7 ?~ 95 K l o r s q u ' o n

lO0

~'~

p a s s e de

l ' o x y d e ?~ S r K 2 N b 5 0 1 4 F

: cette

!

d i m i n u t i o n de T proprigt~s

s e m b l e li~e a u x c p a r t i c u l i ~ r e s du f i u o r .

C"

FIG. 4 Variation de la t e m p e r a t u r e de Curie avec la composition.

478

BRONZES

OXYGENES

DE TUNGSTENE

Vol.

7, No.

5

Ce travail pr~sente trois aspects originaux : - L a variation continue de T

en fonction du taux en fluor p e r m e t de pr~voir C

un m a × i m u m -

de constante di~lectrique h une temperature demand~e.

L'introduction de faibles quantit~s de fluor semble a u g m e n t e r

sensiblement

la valeur de c'

Z c" - Z a substitution du fluor ~ l'o×yg~ne abaisse la temperature de fusion, pro-

pri~t~ qui facilite l'obtention de monocristaux. Bibliog raphie 1. J.E. Geusic, H.J. Levinstein, S.Singh, R . C . Appl. Phys. Letters, 12, 306 (1968) 2. R . C . E.G.

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