Tương tự như sự thay thế ở vị trí Bi, ion thay thế ở vị trí Fe cũng ảnh hưởng đến pha cấu trúc và các tính chất liên quan của gốm BiFeO3. Bảng 1.2 liệt kê loại cấu trúc và một số đặc trưng tính chất của gốm BiFeO3 khi thay thế các ion ở vị trí Fe.
Bảng 1.2. Cấu trúc và tính chất của gốm BiFeO3 khi được thay thế một số ion ở vị trí Fe [7]
Vật liệu Cấu trúc pha Ec(kV/cm) Mr(emu/g)
BiFe0.75Ti0.25O3 – 0.081 2.571 0.025 BiFe0.95Co0.05O3 R - - 0.7 BiFe0.95Zn0.05O3 - - - - BiFe1- xMnxO3 R 3.99 19.79 - BiFe1- xTixO3 R ~ R - O - - - BiFe1- xScxO3 R - - 0.24-1.7m BiFe1- xTaxO3+x - 0.22 - 0.06 BiFe1- xNbxO3 - - - 0.15 BiFe1- xNbxO3 R - - - BiFe1- xHoxO3 (x = 0.05) R 8.4 75 0.0258 BiFe0.95Ni0.05 O 3 R - - 0.1
Quan sát bảng 1.2 ta thấy, pha cấu trúc của BiFeO3 hầu như không thay đổi khi pha tạp một số nguyên tố như: Ho, Co, Zn, Mn, Sc, Nb, và Ni. Duy nhất, khi pha tạp Ti sẽ gây ra sự chuyển pha R-O trong cấu trúc gốm BiFeO3. Khác với sự thay thế vị trí Bi (xem bảng 1.1), sự thay thế các ion ở vị trí Fe thường dẫn đến xuất hiện các trạng thái sắt điện và áp điện yếu và tính chất từ của vật liệu tăng. Theo một số nghiên cứu, sự giảm tính chất điện (tính sắt điện và áp điện) có thể có nguyên nhân bởi sự có mặt của các pha thứ cấp được gây ra bởi các tạp chất như Co, Nb, Sc, Zn, Zr, Ni. Tính chất từ của gốm
BiFeO3 tăng khi pha tạp một số nguyên tố từ tính như: Co và Ni. Cụ thể, khi pha tạp nguyên tố từ tính Ni độ từ dư (Mr) của gốm BiFeO3 dạng khối có giá trị tăng từ 0.006emu/g đến 0.1 emu/g. Kết quả này có nguyên nhân từ tương tác siêu trao đổi sắt từ FM giữa ion Fe3+-O- Ni2+ được tăng cường. Khi thay thế Co cũng tạo ra sự biến dạng mạng tinh thể trong hợp chất BiFe0.95Co0.05O3
và tính chất từ của vật liệu tăng đáng kể (Mr ~ 0.7 emu/g). Tóm lại, khi thay thế các nguyên tố từ tính thích hợp ở vị trí Fe tính chất từ của vật liệu có thể được cải thiện nhưng tính chất điện lại giảm, dó đó bài toán đặt ra là làm sao để tạo sự cân bằng giữa tính chất từ và tính chất sắt điện trong gốm BiFeO3.