Lead-free multiferroic ceramics of 0.75Bi1−xNdxFeO3 − 0.25BaTiO3 + 1 mol. % MnO2 were prepared by a conventional ceramic technique and their structure, piezoelectricity, and multiferroicity were studied. The ceramics sintered at 890–990 °C possess a pure perovskite structure. A morphotropic phase boundary of rhombohedral and monoclinic phases is formed at x = 0.05. A small amount of Nd improves the ferroelectric and piezoelectric properties of the ceramics. The ferroelectric-paraelectric phase transition becomes gradually diffusive with x increasing. After the addition of Nd, the ferromagnetism of the ceramics is greatly enhanced by ∼320%. The increase in sintering temperature improves significantly the ferroelectric, piezoelectric, and ferromagnetic properties of the ceramics. The ceramics with x = 0.05 sintered at 950–990 °C possess improved ferroelectricity, piezoelectricity, magnetism and insulation with Pr of 16.5–17.5 μC/cm2, d33 of 113–121 pC/N, Mr of 0.127–0.138 emu/g, R of ∼5 × 109 Ω·cm and high TC of 473–482 °C, indicating that the ceramic is a promising candidate for room-temperature multiferroic and high-temperature piezoelectric materials.

1.
W.
Liu
and
X.
Ren
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
257602
(
2009
).
2.
S. T.
Zhang
,
B.
Yang
, and
W. W.
Cao
,
Acta. Mater.
60
,
469
(
2012
).
3.
D. J.
Shin
and
J. H.
Koh
,
J. Alloys Compd.
555
,
390
(
2013
).
4.
Q.
He
,
C. H.
Yeh
,
J. C.
Yang
,
G.
Singh-Bhalla
,
C. W.
Liang
,
P. W.
Chiu
,
G.
Catalan
,
L. W.
Martin
,
Y. H.
Chu
,
J. F.
Scott
, and
R.
Ramesh
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
067203
(
2012
).
5.
J. H.
Lee
,
M. A.
Oak
,
H. J.
Choi
,
J. Y.
Son
, and
H. M.
Jang
,
J. Mater. Chem.
22
,
1667
(
2012
).
6.
T. R.
Paudel
,
S. S.
Jaswal
, and
E. Y.
Tsymbal
,
Phys. Rev. B
85
,
104409
(
2012
).
7.
S.
Goswami
,
D.
Bhattacharya
,
P.
Choudhury
,
B.
Ouladdiaf
, and
T.
Chatterji
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
073106
(
2011
).
8.
F.
Azough
,
R.
Freer
,
M.
Thrall
,
R.
Cernik
,
F.
Tuna
, and
D.
Collison
,
J. Eur. Ceram. Soc.
30
,
727
(
2010
).
9.
M. M.
Kumar
,
V. R.
Palker
,
K.
Srinvivas
, and
S. V.
Suryanarayana
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
2764
(
2000
).
10.
A. K.
Pradhan
,
K.
Zhang
,
D.
Hunter
,
J. B.
Dadson
, and
G. B.
Loutts
,
J. Appl. Phys.
97
,
093903
(
2005
).
11.
S. K.
Pradhan
and
B. K.
Roul
,
Phys. B
406
,
3313
(
2011
).
12.
T.
Kawae
,
Y.
Terauchi
,
H.
Tsuda
,
M.
Kumeda
, and
A.
Morimoto
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
112904
(
2009
).
13.
A.
Sagdeo
,
P.
Mondal
,
A.
Upadhyay
,
A. K.
Sinha
,
A. K.
Srivastava
,
S. M.
Gupta
,
P.
Chowdhury
,
T.
Ganguli
, and
S. K.
Deb
,
Solid State Sci.
18
,
1
(
2013
).
14.
Y. P.
Wang
,
L.
Zhou
,
M. F.
Zhang
,
X. Y.
Chen
,
J. M.
Liu
, and
Z. G.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1731
(
2004
).
15.
Q.
Zhang
,
X. H.
Zhu
,
Y. H.
Xu
,
H. B.
Gao
,
Y. J.
Xiao
,
D. Y.
Liang
,
J. L.
Zhu
,
J. G.
Zhu
, and
D. Q.
Xiao
,
J. Alloys Compd.
546
,
57
(
2013
).
16.
X. M.
Chen
,
J. L.
Wang
,
G. L.
Yuan
,
D.
Wu
,
J. M.
Liu
,
J.
Yin
, and
Z. G.
Liu
,
J. Alloys Compd.
541
,
173
(
2012
).
17.
Y. J.
Wu
,
X. K.
Chen
,
J.
Zhang
, and
X. J.
Chen
,
J. Appl. Phys.
111
,
053927
(
2012
).
18.
Z. Y.
Cen
,
C. R.
Zhou
,
H. B.
Yang
,
Q.
Zhou
,
W. Z.
Li
,
C. L.
Yan
,
L.
Cao
,
J.
Song
, and
L.
Peng
,
J. Am. Ceram. Soc.
96
,
2252
(
2013
).
19.
D.
Varshney
,
A.
Kumar
, and
K.
Verma
,
J. Alloys Compd.
509
,
8421
(
2011
).
20.
T. H.
Wang
,
C. S.
Tu
,
Y.
Ding
,
T. C.
Lin
,
C. S.
Ku
,
W. C.
Yang
,
H. H.
Yu
,
K. T.
Wu
,
Y. D.
Yao
, and
H. Y.
Lee
,
Curr. Appl. Phys.
11
,
S240
(
2011
).
21.
Q. Q.
Wang
,
Z.
Wang
,
X. Q.
Liu
, and
X. M.
Chen
,
J. Am. Ceram. Soc.
95
,
670
(
2012
).
22.
Z. Z.
Ma
,
Z. M.
Tian
,
J. Q.
Li
,
C. H.
Wang
,
S. X.
Huo
,
H. N.
Duan
, and
S. L.
Yuan
,
Solid State Sci.
13
,
2196
(
2011
).
23.
Y.
Ma
and
X. M.
Chen
,
J. Appl. Phys.
105
,
054107
(
2009
).
24.
H.
Matsuo
,
Y.
Noguchi
,
M.
Miyayama
,
M.
Suzuki
, and
A.
Watanabe
,
J. Appl. Phys.
108
,
104103
(
2010
).
25.
T. H.
Wang
,
C. S.
Tu
,
H. Y.
Chen
,
Y.
Ding
, and
T. C.
Lin
,
J. Appl. Phys.
109
,
044101
(
2011
).
26.
A.
Singh
,
V.
Pandey
,
R. K.
Kotnala
, and
D.
Pandey
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
247602
(
2008
).
27.
N.
Itoh
,
T.
Shimura
,
W.
Sakamoto
, and
T.
Yogo
,
Ferroelectrics
356
,
19
(
2007
).
28.
M. T.
Buscaglia
,
L.
Mitoseriu
,
V.
Buscaglia
,
I.
Pallecchi
,
M.
Viciani
,
P.
Nanni
, and
A. S.
Siri
,
J. Euro. Ceram. Soc.
26
,
3027
(
2006
).
29.
S.
Chandarak
,
J.
Jutimoosik
,
A.
Bootchanont
,
M.
Unruan
,
P.
Jantaratana
,
S.
Priya
,
S.
Srilomsak
,
S.
Rujirawat
, and
P.
Yimnirun
,
J. Supercond. Nov. Magn.
26
,
455
(
2013
).
30.
S. O.
Leontsev
and
R. E.
Eitel
,
J. Am. Ceram. Soc.
92
,
2957
(
2009
).
31.
H. B.
Yang
,
C. R.
Zhou
,
X. Y.
Liu
,
Q.
Zhou
,
G. H.
Chen
,
W. Z.
Li
, and
H.
Wang
,
J. Eur. Ceram. Soc.
33
,
1177
(
2013
).
32.
S. K.
Nalwa
and
A.
Garg
,
J. Appl. Phys.
103
,
044101
(
2008
).
33.
G. L.
Yuan
,
Or
SW
,
J. M.
Liu
, and
Z. G.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
052905
(
2006
).
34.
S. T.
Zhang
,
L. H.
Pang
,
Y.
Zhang
,
M. H.
Liu
, and
Y. F.
Chen
,
J. Appl. Phys.
100
,
114108
(
2006
).
35.
C.
Lan
,
Y.
Jiang
, and
S.
Yang
,
J. Mater. Sci.
46
,
734
(
2011
).
36.
M. I.
Mendelson
,
J. Am. Ceram. Soc.
52
,
443
446
(
1969
).
37.
X. H.
Wang
,
P. L.
Chen
, and
I. W.
Chen
,
J. Am. Ceram. Soc.
89
,
431
(
2006
).
38.
L.
Lutterotti
, MAUD, Material Analysis Using Diffraction, 2011. http://www.ing.unitn.it/~maud/index.html.
39.
M. S.
Kim
,
J. G.
Fisher
,
S. J. L.
Kang
, and
H. Y.
Lee
,
J. Am. Ceram. Soc.
89
,
1237
(
2006
).
40.
M. S.
Kim
,
D. S.
Lee
,
E. C.
Park
,
S. J.
Jeong
, and
J. S.
Song
,
J. Eur. Ceram. Soc.
27
,
4121
(
2007
).
41.
B. K.
Lee
,
S. Y.
Chung
, and
S. J. L.
Kang
,
Acta. Mater.
48
,
1575
(
2000
).
42.
B.
Jaffe
,
W. R.
Cook
, and
H.
Jaffe
,
Piezoelectric Ceramics
(
Academic Press
,
New York
,
1971
).
43.
C. C.
Huang
and
D. P.
Cann
,
J. Appl. Phys.
104
,
024117
(
2008
).
44.
J. H.
Hao
,
W.
Bai
,
W.
Li
, and
J.
Zhai
,
J. Am. Ceram. Soc.
95
,
1998
(
2012
).
45.
C. A.
Randall
,
N.
Kim
,
J. P.
Kucera
,
W.
Cao
, and
T. R.
Shrout
,
J. Am. Ceram. Soc.
81
,
677
688
(
1998
).
46.
W.
Cao
and
C. A.
Randall
,
J. Phys. Chem. Solids
57
,
1499
(
1996
).
47.
M.
Demartin
and
D.
Damjanovic
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
3046
(
1996
).
48.
Q.
Zhou
,
C.
Zhou
,
H.
Yang
,
G.
Chen
,
W.
Li
, and
H.
Wang
,
J. Am. Ceram. Soc.
95
,
3889
(
2012
).
49.
X.
Chen
,
Y.
Wang
,
Y.
Yang
,
G.
Yuan
,
J.
Yin
, and
Z.
Liu
,
Solid State Commun.
152
,
497
(
2012
).
50.
E.
Buixaderas
,
V.
Bovtun
,
M.
Kempa
,
M.
Savinov
,
D.
Nuzhnyy
,
F.
Kadlec
,
P.
Vaněk
,
J.
Petzelt
,
M.
Eriksson
, and
Z.
Shen
,
J. Appl. Phys.
107
,
014111
(
2010
).
51.
Y.
Park
,
W. J.
Lee
, and
H. G.
Kim
,
J. Phys. Condensed Mater.
9
,
9445
(
1997
).
52.
S.
Chattopadhyay
,
P.
Ayyub
,
V. R.
Palkar
, and
M.
Multani
,
Phys. Rev. B
52
,
13177
(
1995
).
53.
J.
Wu
,
D.
Xiao
,
B.
Wu
,
W.
Wu
,
J.
Zhu
,
Z.
Yang
, and
J.
Wang
,
Mater. Res. Bull.
47
,
1281
(
2012
).
54.
X. G.
Tang
and
H. L. W.
Chan
,
J. Appl. Phys.
97
,
034109
(
2005
).
55.
D.
Lebeugle
,
D.
Colson
,
A.
Forget
,
M.
Viret
,
A. M.
Bataille
, and
A.
Gukasov
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
227602
(
2008
).
You do not currently have access to this content.