Study and control of the conductivity of Nb-doped Bi4Ti3O12 for high temperature piezoelectric applications

Bismuth-based layered compounds have been considered during the last years as interesting materials for high temperature piezoelectric applications, due to their stability and wide thermal range of the ferroelectric activity. The high electrical conductivity present at high temperatures has been a disadvantage for the potential applications of these compounds. On Bi4Ti3O12 (BIT), different doping, such as Nb5+ and W6+ were used to increase resistivity. It has been shown that Nb5+ doping modifies piezoelectric response, passing from relatively high hysteretic to linear and almost completely non-hysteretic. In the present work, the effect of Nb5+ doping related to the conduction response is investigated. Studies of the I-V curves as a function of the temperature allows us, for the first time, to measure the conductivity of these compounds at room temperature (RT) and to discuss which are the microstructural elements that control the conductivity of the material using a serial electrical model. It is shown that at temperatures between RT and 125ºC the grain boundary conductivity limits the total conductivity. At higher temperatures, the material conducts mainly through the bulk of grains. Conduction type, conductivity thermal regimes and chemical composition may explain the change in the piezoelectric behaviour.Compuestos laminares de bismuto han sido considerados en los últimos años materiales interesantes como piezoeléctricos en aplicaciones de alta temperatura, debido a su estabilidad y amplio rango térmico de existencia de actividad ferroeléctrica. Sin embargo, la elevada conductividad presente a altas temperaturas ha sido una desventaja para las potenciales aplicaciones de estos compuestos. En el caso de Bi4Ti3O12 (BIT), diferentes dopantes como Nb5+ o W6+ han sido empleados para aumentar la resistencia eléctrica del material. Es conocido que el dopado con Nb5+ modifica la respuesta piezoeléctrica del material pasando de presentar una elevada histéresis a prácticamente lineal y no histerética. En este trabajo se estudia el efecto de este tipo de dopado sobre la respuesta de la conductividad. Estudios eléctricos mediante la medida de curvas I-V en función de la temperatura nos permiten, por primera vez en la literatura, medir la conductividad de estos compuestos a temperaturas entorno a la ambiente (TA) y discutir que elemento mesoestructural controla la conductividad total del material, usando un model eléctrico en serie. Como resultado, se ha visto que a temperaturas entre TA y 125ºC es la conductividad del borde de grano la que limita la conductividad de todo el compuesto. A temperaturas superiores, el material conduce principalmente a través del interior de grano. Combinaremos los resultados de los estudios sobre tipo de conducción, regímenes térmicos y la composición química para interpretar los cambios en la respuesta general introducidos por el dopado.