Vi præsenterer her, en protokol til syntese af porøse barium titanate (BaTiO3) tynde film af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor selvsamlede amphipathic overfladeaktivt stof micelles bruges som en økologisk skabelon.
Barium titanate (BaTiO3, herefter BT) er en etableret ferroelectric materiale først opdaget i 1940 ‘ erne og stadig meget udbredt på grund af dens afbalancerede ferroelectricity, piezoelektrisk og dielektricitetskonstant. Derudover indeholder BT ikke nogen giftige elementer. Det fastslås derfor, at være en øko-venligt materiale, som har tiltrukket betydelig interesse som erstatning for bly zirconate titanate (PZT). Men hovedparten BT mister sin ferroelectricity på ca. 130 ° C, således, det kan ikke bruges ved høje temperaturer. På grund af den stigende efterspørgsel efter høj-temperatur ferroelectric materialer, det er vigtigt at øge den termiske stabilitet af ferroelectricity i BT. i tidligere undersøgelser, stamme fra lattice uoverensstemmelse på hetero-grænseflader er blevet brugt. Prøveforberedelse i denne tilgang kræver imidlertid komplicerede og dyre fysiske processer, som er uønskede i praktiske anvendelser.
I denne undersøgelse foreslår vi en kemisk syntese af et porøst materiale som et alternativt middel til at indføre stamme. Vi syntetiseret en porøs BT tynd film ved hjælp af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor selvsamlede amphipathic overfladeaktivt stof micelles blev brugt som en organisk skabelon. Gennem en række undersøgelser præciseret vi, at indførelsen af porer havde en lignende effekt på fordrejning af krystalgitter BT end en hetero-interface, fører til forbedring og stabilisering af ferroelectricity. På grund af sin enkelhed og omkostninger effektivitet har denne fabrikationsproces betydelige fordele i forhold til konventionelle metoder.
Barium titanate (BaTiO3, herefter BT) er en typisk perovskite-type ferroelectric materiale. Selv om sine ferroelectric egenskaber blev opdaget i 1940 ‘ erne, er det stadig almindeligt anvendt i dag på grund af dens afbalancerede ferroelectric og piezoelektriske svar og gunstige dielektricitetskonstant. Desuden, fordi BT er en bly-fri, miljøvenlig materiale, det har tiltrukket stor interesse som erstatning for bly zirconate titanate (PZT). Ved stuetemperatur, crystal fase af BT er tetragonal, hvor forholdet mellem c og en gittermaster parametre (c/en) er ikke lig med 1. I fasen tetragonal BT gitter er lidt aflange mod c-akse og kationer (Ba2 +, Ti4 +) og anioner (O2−) er fordrevet i modsatte retninger. Denne forskydning resulterer i den spontane polarisering af BT., når temperaturen stiger til Curie temperatur (Tc), en fase overgang til den kubiske fase opstår. I den kubiske fase af BT, der har c/en = 1, gitter forvrængning er afslappet, og dens ferroelectricity er tabt på grund af den elektriske neutralitet med oprindelse fra inversion symmetri af gitter. For nylig, brugen af høj temperatur ferroelectric materialer har udvidet. Tc af BT er dog relativt lavt (~130 ° C) og bulk BT ikke opfylder disse krav.
For at øge Tc af BT, er den ferroelectric (tetragonal) fase blevet stabiliseret ved anvendelse af pres på hetero-interface. For eksempel forbedret Choi et al. ferroelectricity af BT film epitaxially dyrkes på GdScO3 (110) og DyScO3 (110) substrater ved hjælp af biaksiale trykstyrke stamme forårsaget af gitter uoverensstemmelse mellem1. Stigningen i Tc er dog begrænset til meget tynde film (snese nanometer tyk)2,3, hvilket er upraktisk for enheden applikationer.
For at øge BT filmtykkelse samtidig forhindre stamme afslapning, er superlattice (periodiske struktur af meget tynde lag) og tredimensionale (3D) hetero-nanostrukturer blevet udviklet. Harrington et al. syntetiseret en lodret mesostructure BT og Sm2O3 og opnået en mikrometer-skala-bestilt tyk film uden stamme afslapning. I dette eksempel er spontane polarisering orienteret vinkelret på underlaget som følge af enakset udvidelse af BT enhed celle; således, en stor rest polarisering blev opretholdt ved høj temperatur (dvs., Tc var større end 800 ° C)4. De opnåede egenskaber var tilfredsstillende; en kompliceret og dyrt fysiske proces (pulserende laser deposition) var imidlertid påkrævet for fabrikation, hvilket er en ulempe for praktiske anvendelser.
Som en alternativ letkøbt og billig fabrikationsproces, har vi foreslået den kemiske syntese af 3D nanocomposites ved indførelse af en forløber løsning af BT i porerne i en porøs strontium titanate (SrTiO3, herefter ST) tynd film5 . I undersøgelsen, den porøse ST tynd film blev syntetiseret af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor den samlesæt af amphipathic overfladeaktive micelles blev brugt som en organisk skabelon6,7. Metoden er vist skematisk i figur 1. Fordi de opnåede ST tynd film har en kompleks 3D porøs struktur med et stort overfladeareal, stamme på BT/ST hetero-interface er indført i nanocomposite, fører til en stabilisering af den ferroelectric fase af BT ( Tc St / BT nanocomposite nået 230 ° C).
Vi en hypotese der porøsitet kunne direkte indføre stamme i BT og øge den termiske stabilitet af ferroelectric egenskaber. I denne undersøgelse brugte vi et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode at fabrikere porøse BT og granske de pore-induceret stamme. Derudover sammenlignede vi den termiske stabilitet mellem porøse BT og nonporous bulk BT. fandt vi at de indførte porer induceret en anisotrope stamme, som aflange BT krystalgitter. Denne virkning kan være gunstige for stabilisere den ferroelectric fase. Fordi syntese processen bruges her er meget simpel, har det fordele i forhold til konventionelle fysiske processer for 3D hetero-nanostrukturer.
Opdelingen af A1(at) tilstanden i Raman spektret af en porøs BT tynd film (figur 3b) stammer fra trykstyrke stamme. Denne funktion blev tydeligt observeret af metoden FFTM (figur 4) og dens anisotropy i retningen [1-10] blev bestemt ud fra histogrammet af forvrængning (figur 5). Trykstyrke stamme langs [1-10] retning har en lignende effekt af inducerende biaksiale trykstyrke stamme i det (001) overflade, hvilket forbedrer ferroelectricity i BT1. Porøse drevet anisotrope stamme elongates krystalgitter mod c-akse, forårsager yderligere dislokation af Ti4 + fra midten af gitter. Dette dislokation forventes at stige til elektrisk dipolmoment, hvilket igen øger sin ferro (piezo) elektricitet. En film fra mesoporøse BT piezoelektrisk er faktisk bedre end en ikke-porøs film8.
Stammen induceret i BT krystalgitter stabiliserer den forvrængede tetragonal fase. Således, den termiske stabilitet af gitter forventes at blive forbedret. Raman spektret af porøse BT tynd filmen viste tetragonal fase oprindelse peak (på 710 cm1) forblev synlig indtil 375 ° C, selvom toppen blev gradvist svagere og bredere (fig. 6b). Denne tendens svarede til, findes i en tidligere undersøgelse, hvori Tc blev anslået til at være 470 ° C8. Dermed, vi bekræftet den antagelse, at de pore-drevet stamme i BT tyndfilm effektivt termisk stabiliseret den tetragonale fase.
Gennem denne undersøgelse præciserede vi, at pore-induceret stamme dannet af en enkel og billig kemiske procedure har en lignende virkning af stamme på en hetero-interface stammer fra lattice uoverensstemmelse. Disse resultater giver roman indsigt i stamme engineering.
The authors have nothing to disclose.
N. S. blev økonomisk støttet af Japan-samfund til fremme af videnskab (JSP’ER) licensbetaling for videnskabelig forskning (KAKENHI) (Grant nr. 26810126). Y. Y. er taknemmelig for, at Deanship af videnskabelig forskning, King Saud University for grundlæggelsen gennem Vice Deanship af videnskabelig forskning stole.
Vidvinkel XRD målinger blev gennemført på Nano-behandlingsanlæg, understøttet af Innovation-styrke udstyr fælles (IBEC) Innovation Platform, National Institute for Advanced industriel videnskab og teknologi (AIST), Japan. Raman spectra måling og TEM observation af den porøse tynd film blev gennemført af HORIBA TECHNO SERVICE Co, Ltd og fundament til fremme af materiale videnskab og teknologi i Japan (MST), henholdsvis. MST har også gennemført visualisering af stamme fra TEM billeder. Vi takke Andrew Jackson, ph.d., fra Edanz gruppe (www.edanzediting.com/ac) til at redigere et udkast af dette manuskript.
Diblock Copolymer PS(18000)-b-PEO(7500) | Polymer Source, Inc. | #8399-SEO | |
Acetic acid (37 wt.%) | Wako | 017-00256 | |
Tetrahydrofuran | Wako | 204-08745 | |
Barium acetate | Sigma-Aldrich | 243671-100G | |
Titanium(IV) butoxide | Sigma-Aldrich | 244112-100G | |
Reference bulk BT single crystal | Crystal Base Co., Ltd. | ||
Balance | Sartorius | ||
Hot stirrer | IKA | RCT basic | |
Spin coater | Active | ACT-300DII | |
Hot plate | As one | ND-1 | |
Muffle Furnace | Yamato Scientific Co., Ltd. | FO series | |
Scanning electron microscopy | Hitachi | SU-8000 | |
Transmission electron microscopy | Hitachi | H-9000NAR | |
Wide-angle X-ray diffraction | Rigaku | RINT-Ultima III | |
Raman microscope | Horiba | XploRA Plus |