The valence change of Fe in BaTiO3 studied by Mössbauer effect and gravimetry

Abstract

The valence states of Fe and the charge compensation by oxygen vacancies of Fe57-doped BaTiO3 are studied by the Mössbauer effect and gravimetry as a function of O2 partial pressure. By preparational and analytical effort, it is ensured that the dopant homogeneously substitutes Ti4+ in the BaTiO3 lattice (up to 1.2 mol% Fe). It is found that Fe3+ is mainly present and that after annealing in pure oxygen up to 30% of the dopant is converted to Fe4+ and that by annealing in hydrogen the valency changes to Fe2+. Combining the Mössbauer results with the weight change it is shown quantitatively that the charge deficiency of the dopant (Fe3+, Fe2+) is compensated by doubly ionized oxygen vacancies. Die Valenzzustände von Fe und die Ladungskompensation durch Sauerstoffleerstellen werden gravimetrisch und mit Hilfe des Mößbauer-Effekts in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck untersucht. Durch präparativen und analytischen Aufwand wird sichergestellt, daß die Dotierung homogen auf Ti-Plätzen des BaTiO3-Gitters eingebaut ist (≦ 1,2 Mol% Fe). Die Fe-Dotierung tritt überwiegend dreiwertig auf. Durch Tempern in reinem Sauerstoff kann jedoch bis zu 30% der Dotierung in Fe4+ überführt werden, und durch Tempern in Wasserstoff ändert sich die Valenz in Fe2+. Durch Kombination der Mößbauer-Resultate mit den Gewichtsänderungen der Proben kann quantitativ gezeigt werden, daß das Ladungsdefizit der Dotierung (Fe3+, Fe2+) durch zweifach ionisierte Sauerstoffleerstellen kompensiert wird.