Summary
यहां, हम एक surfactant-असिस्टेड सोल-जेल विधि, जिसमें स्वयं इकट्ठे amphipathic surfactant micelles एक कार्बनिक टेम्पलेट के रूप में उपयोग किया जाता है द्वारा छिद्रित बेरियम titanate (बेटीयो3) पतली फिल्म के संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं ।
Abstract
बेरियम titanate (बेटीयो3, इसके बाद बीटी) एक स्थापित ferroelectric सामग्री पहले 1940 में की खोज की है और अभी भी व्यापक रूप से इसकी अच्छी तरह से संतुलित ferroelectricity, piezoelectricity, और अचालक लगातार की वजह से इस्तेमाल किया । इसके अलावा, बीटी में कोई विषैले तत्व नहीं होते हैं । इसलिए, यह एक पारिस्थितिकी के अनुकूल सामग्री है, जो सीसा zirconate titanate (PZT) के लिए एक प्रतिस्थापन के रूप में काफी रुचि को आकर्षित किया है माना जाता है । हालांकि, थोक बीटी लगभग 130 डिग्री सेल्सियस पर अपनी ferroelectricity खो देता है, इस प्रकार, यह उच्च तापमान पर इस्तेमाल नहीं किया जा सकता । उच्च तापमान ferroelectric सामग्री की बढ़ती मांग के कारण, यह बीटी में ferroelectricity के थर्मल स्थिरता को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है । पिछले अध्ययनों में, hetero-इंटरफेस पर जाली बेमेल से उद्भव तनाव का इस्तेमाल किया गया है । हालांकि, इस दृष्टिकोण में नमूना तैयारी जटिल और महंगी शारीरिक प्रक्रियाओं, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अवांछनीय हैं की आवश्यकता है ।
इस अध्ययन में, हम तनाव शुरू करने का एक वैकल्पिक साधन के रूप में एक छिद्रित सामग्री के एक रासायनिक संश्लेषण का प्रस्ताव । हम एक surfactant-असिस्टेड सोल-जेल विधि, जिसमें स्वयं इकट्ठे amphipathic surfactant micelles एक कार्बनिक टेम्पलेट के रूप में इस्तेमाल किया गया था का उपयोग कर एक असुरक्षित बीटी पतली फिल्म संश्लेषित । अध्ययन की एक श्रृंखला के माध्यम से, हमने स्पष्ट किया है कि का परिचय pores बीटी क्रिस्टल जाली विकृत पर एक समान प्रभाव था, कि एक hetero-अंतरफलक के, वृद्धि और ferroelectricity के स्थिरीकरण के लिए अग्रणी । अपनी सादगी और लागत प्रभावशीलता के कारण, इस निर्माण की प्रक्रिया पारंपरिक तरीकों से काफी लाभ है ।
Introduction
बेरियम titanate (बेटीयो3, इसके बाद बीटी) एक ठेठ perovskite प्रकार ferroelectric सामग्री है । हालांकि 1940 के दशक में इसके ferroelectric गुण खोजे गए थे, लेकिन इसकी अच्छी तरह से संतुलित ferroelectric और piezoelectric प्रतिक्रियाओं और अनुकूल अचालक स्थिरांक के कारण आज भी व्यापक रूप से इसका प्रयोग किया जाता है । इसके अलावा, क्योंकि बीटी एक नेतृत्व मुक्त, पर्यावरण के अनुकूल सामग्री है, यह सीसा zirconate titanate (PZT) के लिए एक प्रतिस्थापन के रूप में बहुत रुचि आकर्षित किया है । कमरे के तापमान पर, बीटीके क्रिस्टल चरण चतुष्कोणीय है, जहां सी और एक जाली मापदंडों (सी/) का अनुपात 1 के बराबर नहीं है । चतुष्कोणीय चरण में, बीटी जाली c-अक्ष और cations (Ba2 +, Ti4 +) और ॠणायन (O2 −) की ओर थोड़ा लम्बा है, जो विपरीत दिशाओं में विस्थापित हैं । बीटी के सहज ध्रुवीकरण में यह विस्थापन परिणाम देता है. क्यूरी तापमान (टीसी) के लिए जब तापमान बढ़ जाता है, घन चरण के लिए एक चरण संक्रमण होता है । बीटी के घन चरण में, जो सी= 1 है, जाली विरूपण आराम है, और इसके ferroelectricity जाली के उलटा समरूपता से उद्भव विद्युत तटस्थता के कारण खो दिया है । हाल ही में, उच्च तापमान ferroelectric सामग्री के उपयोग का विस्तार किया है । हालांकि, बीटी की टीसी अपेक्षाकृत कम है (~130 डिग्री सेल्सियस) और थोक बीटी इन मांगों को पूरा नहीं करता है ।
बीटी के टीसी बढ़ाने के लिए, ferroelectric (चतुष्कोणीय) चरण hetero-इंटरफ़ेस पर तनाव के आवेदन के द्वारा स्थिर किया गया है । उदाहरण के लिए, चोई एट अल. GdScO3 (110) और DyScO3 (110) पर हो epitaxially बीटी फिल्मों के ferroelectricity बढ़ाया जाली बेमेल1के कारण द्विअक्षीय संपीड़न तनाव के उपयोग के माध्यम से सब्सट्रेट. हालांकि, टीसी की वृद्धि बहुत पतली फिल्मों (दसियों nanometers मोटी) तक सीमित है2,3, जो डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए अव्यावहारिक है ।
बीटी फिल्म मोटाई बढ़ाने के लिए, जबकि तनाव छूट को रोकने, superlattice (बहुत पतली परतों की आवधिक संरचना) और तीन आयामी (3 डी) hetero-nanostructures विकसित किया गया है । Harrington एट अल. बीटी और एसएम2ओ3 के एक ऊर्ध्वाधर mesostructure संश्लेषित और तनाव छूट के बिना एक माइक्रोमीटर पैमाने पर आदेश दिया मोटी फिल्म प्राप्त की । इस नमूने में, सहज ध्रुवीकरण बीटी इकाई सेल के uniaxial विस्तार के कारण सब्सट्रेट करने के लिए सीधा उन्मुख है; इस प्रकार, एक बड़े अवशेष ध्रुवीकरण उच्च तापमान पर बनाए रखा गया था (यानी, टीसी 800 डिग्री सेल्सियस से अधिक था)4। प्राप्त गुण संतोषजनक थे; हालांकि, एक जटिल और महंगी शारीरिक प्रक्रिया (स्पंदित-लेजर जमाव) निर्माण, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक खामी है के लिए आवश्यक था ।
एक वैकल्पिक सतही और सस्ती निर्माण प्रक्रिया के रूप में, हम में बीटी के एक अग्रदूत समाधान की शुरूआत से 3 डी नैनोकंपोजिट के रासायनिक संश्लेषण का प्रस्ताव किया है एक छिद्रित स्ट्रोंटियम titanate के pores (SrTiO3, इसके बाद अनुसूचित जनजाति) तनु फिल्म5 . अध्ययन में, असुरक्षित सेंट पतली फिल्म एक surfactant-असिस्टेड सोल-जेल विधि द्वारा संश्लेषित किया गया था, जिसमें amphipathic surfactant micelles की आत्म विधानसभा एक कार्बनिक टेंपलेट के रूप में इस्तेमाल किया गया था6,7। विधि चित्रा 1में योजनाबद्ध रूप से सचित्र है. क्योंकि प्राप्त अनुसूचित जनजाति पतली फिल्म एक बड़े सतह क्षेत्र के साथ एक जटिल 3 डी असुरक्षित संरचना है, बीटी/सेंट hetero में तनाव-अंतरफलक nanocomposite में पेश किया है, बीटी के ferroelectric चरण के स्थिरीकरण के लिए अग्रणी ( टीसी के ST/ बीटी nanocomposite 230 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गया) ।
हम परिकल्पना की है कि porosity सीधे बीटी में तनाव का परिचय और ferroelectric गुणों के थर्मल स्थिरता को बढ़ाने सकता है । इस अध्ययन में, हम एक surfactant-असिस्टेड सोल-जेल विधि छिद्रित बीटी बनाना और परिशीलन ताकना-प्रेरित तनाव का इस्तेमाल किया । इसके अलावा, हम असुरक्षित बीटी और असुरक्षित थोक बीटी के बीच थर्मल स्थिरता की तुलना. हमने पाया है कि शुरू pores एक अनिसोट्रोपिक तनाव है, जो बीटी क्रिस्टल जाली लंबी प्रेरित किया । यह प्रभाव ferroelectric चरण को स्थिर करने के लिए अनुकूल हो सकता है । संश्लेषण की प्रक्रिया यहाँ इस्तेमाल किया बहुत सरल है, क्योंकि यह 3 डी hetero-nanostructures के लिए पारंपरिक शारीरिक प्रक्रियाओं से अधिक लाभ है.
Protocol
1. प्रणेता समाधान की तैयारी
- भंग 50 diblock copolymer पुनश्च (18000)-बी-पेो (7500) के tetrahydrofuran के 1.5 मिलीलीटर में 40 डिग्री सेल्सियस पर मिलीग्राम । कमरे के तापमान (आरटी) के लिए बहुलक समाधान कूल ।
- भंग १२७.७ बेरियम एसीटेट के 830 µ एल में एसिटिक एसिड की 40 डिग्री सेल्सियस पर सरगर्मी से 5 मिनट के लिए । शांत बेरियम एसीटेट समाधान के लिए आर टी । butoxide बेरियम समाधान के लिए टाइटेनियम एसीटेट के 170 मिलीग्राम जोड़ें और 1 मिनट के लिए प्रतिक्रिया मिश्रण हलचल ।
- बेरियम एसीटेट समाधान dropwise के लिए बहुलक समाधान जोड़ें ।
2. Mesoporous बेरियम Titanate तनु फिल्म का संश्लेषण
- एक स्पिन-कोट के मंच पर एसआई/सिइओx/Ti/Pt सब्सट्रेट (2 cm × 2 cm) सेट और पूरी तरह से सब्सट्रेट कवर करने के लिए तैयार प्रणेता समाधान ड्रॉप.
नोट: सिइओx, Ti, और पीटी परतों की फिल्म मोटाई लगभग 1.6, 40, और 150 एनएम, क्रमशः थे । - 5 एस (1 कदम) के लिए 500 rpm पर Si/सिइओx/Ti/Pt सब्सट्रेट स्पिन, और फिर 3,000 rpm के लिए 30 s (2 कदम), क्रमिक.
- एक गर्म थाली पर के रूप में तैयार की फिल्म प्लेस और उंर बढ़ने के लिए 5 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस के लिए यह गर्मी, तो यह कमरे के तापमान (आरटी) के लिए स्वाभाविक रूप से शांत करने की अनुमति ।
- एक ओढ़ना भट्ठी और हवा में calcine में 800 डिग्री सेल्सियस पर annealed फिल्म प्लेस 1 के एक रैंप दर के साथ 10 मिनट के लिए ° c/मिनट (दोनों हीटिंग और ठंडा करने के लिए) ।
3. लक्षण वर्णन
- रूपात्मक और crystallographic लक्षण वर्णन
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स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) माप
- नमूना मंच पर नमूना रखो और नमूने को ठीक करने के लिए कार्बन टेप के साथ कोनों को कवर किया । नमूना धारक की ऊंचाई समायोजित करें ।
- एक लोडिंग रॉड में नमूना धारक सेट और SEM. स्थिति 8 मिमी की एक काम की दूरी पर घर की स्थिति में नमूना धारक के लिए डालें ।
- 5 केवी और 10 mA करने के लिए वोल्टेज और उत्सर्जन वर्तमान में तेजी लाने सेट और एक इलेक्ट्रॉन बीम उत्पन्न करते हैं । कम आवर्धन पर नमूना की पूरी छवि प्रदर्शित करें । रुचि के क्षेत्र (ROI) दिखाने और छवि पर ध्यान केंद्रित करने के लिए चरण पर जाएँ.
- 50, 000X के लिए आवर्धन बढ़ाएं । pores पर ध्यान केंद्रित करने और छिद्र आकृति विज्ञान का निरीक्षण । जब एक उपयुक्त छवि मनाया जाता है, एक तस्वीर को बचाने के ।
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संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (उनि) मापन
- 3.3.1 चरण में वर्णित के रूप में उनि माप से पहले एक क्रॉस-अनुभागीय नमूना तैयार करें ।
- नमूना धारक में तैयार नमूना सेट करें । 300 केवी के लिए वोल्टेज में तेजी लाने सेट और एक इलेक्ट्रॉन बीम उत्पन्न करते हैं । धारक को उनि के पास डालें ।
- कम आवर्धन पर नमूना की पूरी छवि प्रदर्शित करें । ROI दिखाने और छवि पर फ़ोकस करने के लिए चरण पर जाएँ.
- 250, 000X तक आवर्धन बढ़ाएं । नमूना पर ध्यान केंद्रित करने और संश्लेषित पतली फिल्म (~मोटाई में 200 एनएम) के छिद्र आकृति विज्ञान का निरीक्षण । जब एक उपयुक्त छवि मनाया जाता है, एक तस्वीर को बचाने के ।
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वाइड-एंगल एक्स-रे विवर्तन (XRD) माप
- एक घन Kα स्रोत से सुसज्जित एक्स-रे डिफफ्रक्टोमीटर सेट करें ।
- नमूना मंच के केंद्र पर नमूने रखो ।
- Z-अक्ष (यानी, चरण की ऊंचाई स्थिति) समायोजित करें जिसमें नमूना ब्लॉक घटना एक्स-रे के आधे । फिर, ω-अक्ष (अर्थात, चराई कोण) समायोजित करने के लिए नमूना सतह एक्स-रे करने के लिए समानांतर बनाने के लिए ।
- दोहराएं चरण 3.1.3.3 जब तक नमूना चरण स्थिति उपयुक्त हो जाता है (यानी, नमूना सतह एक्स-रे बीम और एक्स-रे के समानांतर के केंद्र में स्थित है).
- फिक्स ω एक छोटे से कोण (जैसे, 0.5 °), और फिर स्कैन 2θ (यानी, डिटेक्टर कोण) से 20 ° करने के लिए 1 °/min. की दर से 70 ° माप के बाद डेटा को बचाने के लिए.
नोट: सब्सट्रेट से पृष्ठभूमि संकेत को दबाने के लिए, आने वाली एक्स-रे संश्लेषित पतली फिल्म की सतह के लिए एक बहुत छोटे से चराई कोण पर विकिरणित थे.
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स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) माप
- ferroelectric चरण के थर्मल स्थिरता के लिए टेस्ट
- रमण माइक्रोस्कोप और ऑपरेटिंग कंप्यूटर पर चालू करें, और उसके बाद ऑपरेटिंग सॉफ़्टवेयर LabSpec । मशीन जांचने के लिए ऑटो अंशांकन क्लिक करें ।
- एक हीटिंग स्टेज पर एक गिलास स्लाइड सेट, और फिर कांच पर संश्लेषित फिल्म डाल दिया । मंच के आवरण को बंद करें ।
- 15 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप अनुपात का उपयोग कर एक हीटिंग चरण के साथ नमूना गर्मी/ जब तापमान लक्ष्य तापमान तक पहुंच जाता है, इस तापमान को रखने और कुछ मिनट प्रतीक्षा करने के लिए हीटिंग चरण सेट करें ।
नोट: इस अध्ययन में, हम आर टी और 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140, और 150 डिग्री सेल्सियस के लिए थोक बीटी, जो लगभग 130 ° c के एक क्यूरी तापमान है चुना है । हम आरटी के तापमान और 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475, और 525 डिग्री सेल्सियस mesoporous बीटी पतली फिल्म के लिए, जिसके लिए क्यूरी तापमान मूल्यांकन किया गया था के लिए लगभग 470 ° c पिछले अध्ययन से8का चयन किया । - तापमान स्थिर होने के बाद, उत्तेजना के लिए एक 300-µm फोकल होल और एक 532-एनएम लेजर (नमूना पर 10 मेगावाट) का उपयोग कर एक फोकल रमन माइक्रोस्कोप के साथ विभिन्न तापमान पर रमन स्पेक्ट्रा को मापने. स्वीकार्य छवि प्रदर्शित करने के लिए वीडियो चिह्न क्लिक करें, और तब छवि पर ध्यान दें । प्राप्ति समय और संचयों को 100 s और 3 पर सेट करें, और फिर माप को प्रारंभ करने के लिए माप चिह्न क्लिक करे । माप के बाद डेटा को सहेजें ।
- स्पेक्ट्रम परिवर्तन तक माप जारी (यानी, ferroelectric चरण के लिए आबंटित चोटियों गायब हो जाता है).
नोट: माप तीन बिंदुओं पर आयोजित किया गया और प्राप्त स्पेक्ट्रा औसत थे.
- तनाव के दृश्य
- परिधीय मिलिंग, नीचे और सूक्ष्म पुल काटने के लिए एक केंद्रित आयन बीम का उपयोग कर एक सूक्ष्म नमूना विधि द्वारा संश्लेषित पतली फिल्म से एक क्रॉस-अनुभागीय नमूना तैयार करें, और नमूना के thinning । है नमूना आकार लंबाई में लगभग 20 µm और मोटाई में 4 µm होना चाहिए ।
- उत्तल और गुफा porosity द्वारा प्रेरित सतहों पर उच्च संकल्प संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मानव संसाधन) छवियों (2, 000, 000X) को मापने ।
- एक क्षेत्र का चयन करें (512 × 512 पिक्सल) के लिए तेजी से रूपान्तर रूपांतरण (FFT), और FFT पैटर्न की गणना । FFT पैटर्न से जाली रिक्ति का अनुमान है, और यह तनाव मुक्त जाली रिक्ति द्वारा विभाजित करने के लिए "विरूपण अनुपात" की गणना ।
- FFT विश्लेषण क्षेत्र को 32 पिक्सेल तक खिसकाएं, और चरण 3.3.3 दोहराएं । इस प्रक्रिया को जारी रखें जब तक HR-उनि छवि के पूरे क्षेत्र को कवर किया जाता है (इस अध्ययन में, ५,६६४ × ५,६६४ पिक्सेल (162 × 162 अंक)) ।
नोट: तनाव मुक्त जाली रिक्ति से कम विकृत FFT छवि का अनुमान लगाया गया था । - गणना विकृति अनुपात के आधार पर क्षेत्रों का रंग सेट करने के लिए तनाव कल्पना । विकृति अनुपात की गणना करके हिस्टोग्राम बनाओ ।
नोट: मानव संसाधन-उनि छवियों में विकृति का विश्लेषण सॉफ्टवेयर CryStMapp के साथ आयोजित किया गया था । -
सॉफ्टवेयर का उपयोग कर एक विस्तृत हिस्टोग्राम बनाएं इगोर प्रो
नोट: क्योंकि चरण 3.3.5 में प्राप्त विकृति के हिस्टोग्राम किसी न किसी, एक विस्तृत सॉफ्टवेयर का उपयोग कर हिस्टोग्राम प्रो इगोर बनाया है ।- डेटा का चयन करके विरूपण अनुपात का संख्यात्मक डेटा लोड करना | लोड लहरें । सामान्य पाठ लोड और उचित नाम के साथ एक लहर के रूप में इसे बचाने के लिए ।
नोट: इगोर समर्थक एक लहर के रूप में एक संख्यात्मक सरणी सहित वस्तु को परिभाषित करता है । - डेटा का चयन करके एक मैट्रिक्स (162 × 162) के रूप में सहेजा लहर बदलें । वेव स्केलिंग बदलें।
- छवि का चयन करके 2d छवि के रूप में एक लहर प्रदर्शन । नये | इमेज Prot.
- का चयन करें विश्लेषण । संकुल । छवि छवि मेनू दिखाने के लिए प्रसंस्करण ।
- छवि का चयन करें । रॉय रॉय पैनल दिखाने के लिए । roi का चयन करने के लिए roi ड्रा प्रारंभ करें चुनें । किसी छवि के शीर्ष पर क्षेत्र आरेखित करें और फिर ROI समाप्तकरें चुनें ।
- ROI_M_Mask वेव के रूप में विश्लेषण के लिए क्षेत्र का चयन करने के लिए मास्क बनाने के लिए ROI की प्रतिलिपि सहेजें चुनें ।
- हिस्टोग्राम बनाने के लिए आदेश विंडो के आदेश पंक्ति में इनपुट "ImageHistogram/R = M_ROIMASK/S waveneame" । wavename में चरण 3.3.6.1 में सेट नाम का उपयोग करें ।
- हिस्टोग्राम दिखाने के लिए आदेश विंडो के आदेश पंक्ति में "प्रदर्शन W_ImageHist" इनपुट करें । यदि आवश्यक हो, तो ग्राफ़ को संशोधित करें ।
- डेटा का चयन करके विरूपण अनुपात का संख्यात्मक डेटा लोड करना | लोड लहरें । सामान्य पाठ लोड और उचित नाम के साथ एक लहर के रूप में इसे बचाने के लिए ।
Representative Results
प्राप्त mesoporous बीटी तनु फिल्म की आकृति विज्ञान इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा जांच की गई । एक शीर्ष दृश्य SEM छवि संश्लेषित बीटी पतली फिल्म (चित्रा 2a) के असुरक्षित सुविधाओं की पुष्टि की । गहराई दिशा में रूपात्मक सुविधाओं एक क्रॉस-अनुभागीय उनि छवि (चित्रा बीसी) के साथ जांच की गई । nanometers के कई दसियों के व्यास के साथ बड़े crystallites खड़ी खड़ी थे, और इन crystallites के बीच अंतराल pores थे । बीटी पतली फिल्म की अनुमानित मोटाई लगभग 200 एनएम थी ।
बीटी फ्रेमवर्क के crystallinity की जांच वाइड-एंगल XRD माप से की गई । बैको3 और TiO2 के बहुत कमजोर चोटियों detectable थे और प्रमुख रूप से बीटी क्रिस्टल के लिए आबंटित चोटियों स्पष्ट रूप से मनाया गया (चित्रा 3) थे । हालांकि, यह (ferroelectric) चतुष्कोणीय और (paraelectric) घन चरणों के बीच अंतर करने के लिए मुश्किल था । इसका कारण यह है कि दोनों चरणों के XRD पैटर्न काफी समान हैं. मुख्य अंतर यह है कि 2θ पर चोटी घन चरण के लिए = 45 ° चतुष्कोणीय चरण के लिए विभाजित है । इस अध्ययन में इस तरह के बंटवारे का पता लगाना मुश्किल था क्योंकि फिल्म की polycrystalline प्रकृति ने चोटी की चौड़ाई चौड़ी की । इस प्रकार, पतली फिल्म के क्रिस्टल चरण स्पष्ट करने के लिए, इसकी रमन स्पेक्ट्रम मापा गया था (चित्र बी). कमरे के तापमान पर एक थोक एकल बीटी क्रिस्टल के रमन स्पेक्ट्रम 275 पर केंद्रित चोटियों दिखाया, 305, 515, और 720 cm− 1, जो एक1(to), B1+ई(to + LO), ई(to) +a 1 (को), और E(lo) +A1(lo) चतुष्कोणीय चरण9के मोड । छिद्रित बीटी पतली फिल्म के स्पेक्ट्रम में, हालांकि एक1(करने के लिए) मोड के बंटवारे, स्पेक्ट्रम की मुख्य विशेषताओं को बरकरार रखा गया था । इस प्रकार, संश्लेषित की गई छिद्रित बीटी तनु फिल्म चतुष्कोणीय थी ।
पतली फिल्म के बीटी फ्रेमवर्क में तनाव के स्थानिक वितरण तेजी से रूपान्तर रूपांतरण मानचित्रण (FFTM) विधि10द्वारा जांच की गई । इस विधि का विश्लेषण करती है और उच्च संकल्प (मानव संसाधन) के FFT पैटर्न में छोटे विकृतियों visualizes-उनि छवियां । चित्रा 4 उत्तल और गुफा सतहों और इसी FFTM छवियों के साथ पतली फिल्म के क्षेत्रों के एचआर-उनि छवियों को दर्शाया गया है । एक उत्तल क्षेत्र में [1-10] दिशा की FFTM छवि से पता चला कि सबसे बाहरी उत्तल सतह थोड़ा विस्तार किया गया था, एक व्यवस्था है जो जाली छूट और कमजोर ferroelectricity कारण होना चाहिए । इसके विपरीत, सतह के ठीक नीचे के क्षेत्र संकुचित थे, और संकुचित क्षेत्रों को पूरी तरह से ढांचे के अंदर देखा गया । यह परिणाम पिछले रिपोर्टों है कि बीटी नैनोकणों की सतह एक paraelectric घन चरण सुविधा का संकेत के साथ संगत है, जबकि भीतरी कोर एक ferroelectric चतुष्कोणीय चरण11,12है । बीटी फ्रेमवर्क के भीतर, कुछ विस्तारित क्षेत्रों में भी पाया गया, मुख्य रूप से गुत्थी और/या अनाज की सीमाओं (चित्र 4c) पर । गुफा क्षेत्रों के लिए, हालांकि सबसे बाहरी सतह के विरूपण स्पष्ट रूप से नहीं देखा गया था, की संभावना है क्योंकि सतह घुमावदार के बजाय बहुभुज था, ढांचे के भीतर संपीड़न का पता लगाया गया था (चित्रा4d) । इसके विपरीत, उत्तल और गुफा दोनों क्षेत्रों में [11-1] दिशा की FFTM छवियां अस्पष्ट थीं (चित्रा 4e, एफ), सुझाव है कि इस दिशा में बीटी यूनिट सेल की थोड़ी विकृति थी ।
बीटी जाली की विकृति की जांच करने के लिए अधिक मात्रा में, विकृति के अंश को हिस्टोग्राम में संक्षेप किया गया था (चित्र 5) । इन हिस्टोग्राम से, हम "विरूपण अनुपात" निर्धारित किया है, जो लक्ष्य और संदर्भ क्षेत्रों में आसंन जाली रिक्ति के बीच की दूरी के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, विरूपण के एक उपाय के रूप में । [11-1] दिशा में, हिस्टोग्राम 1.00 के एक विरूपण अनुपात पर केंद्रित थे और उत्तल और गुफा क्षेत्रों दोनों के लिए लगभग सममित थे । यह परिणाम इंगित करता है कि [11-1] दिशा में थोड़ा तनाव था, ऊपर वर्णित FFTM के परिणामों के अनुरूप । इसके विपरीत, [1-10] दिशा के लिए हिस्टोग्राम लगभग 0.99 के एक विरूपण अनुपात में चोटियों के रूप में चिह्नित, क्षेत्र जहां compressing तनाव बीटी पतली फिल्म में वृद्धि दिखा ।
ferroelectric चतुष्कोणीय चरण के थर्मल स्थिरता अपने रमन स्पेक्ट्रम (चित्रा 6) के तापमान निर्भरता से जांच की गई । एक थोक बीटी एकल क्रिस्टल में, तेज चोटियों 305 और 720 सेमी− 1 में 140 डिग्री सेल्सियस पर गायब हो गया, जो थोक बीटी (~ 130 डिग्री सेल्सियस) के टीसी के अनुरूप है । इसके विपरीत, चतुष्कोणीय चरण से 710 cm− 1 पर पीक बहुत अधिक तापमान पर बना रहा, संश्लेषित छिद्रित पतली फिल्म के लिए 375 डिग्री सेल्सियस तक का पता लगा ।
चित्रा 1: surfactant-असिस्टेड सोल-जेल विधि की योजनाबद्ध छवि । amphipathic surfactant micelles के स्व-विधानसभा एक टेम्पलेट के रूप में इस्तेमाल किया गया था. कार्बनिक-टेम्पलेट और अकार्बनिक सोल, एक कार्बनिक/अकार्बनिक संकर संयोजन द्वारा बनाई गई है । अंत में, calcination के लिए कार्बनिक टेंपलेट को हटाने और अकार्बनिक रूपरेखा सघन द्वारा pores बनाने के लिए आयोजित किया गया था । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 2: mesoporous बीटी पतली फिल्म की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि । (क) शीर्ष दृश्य SEM और (b) क्रॉस-अनुभागीय उनि छवि. यह आंकड़ा सुजुकी, एन एट अल से संशोधित किया गया है । 13 क्रिएटिव कॉमंस रोपण (CC BY) लाइसेंस के अनुसार । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 3: mesoporous बीटी तनु फिल्म के क्रिस्टल चरण के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी डेटा । (क) चौड़े कोण XRD पैटर्न और (ख) कमरे के तापमान पर संश्लेषित पतली बीटी तनु फिल्म के रमन स्पेक्ट्रम । एक थोक बीटी एकल क्रिस्टल के स्पेक्ट्रम भी संदर्भ के लिए शामिल है । यह आंकड़ा सुजुकी, एन एट अल से संशोधित किया गया है । 13 क्रिएटिव कॉमंस रोपण (CC BY) लाइसेंस के अनुसार । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 4: porosity-प्रेरित तनाव के दृश्य । (a, b) उच्च संकल्प उनि चित्र और (सी एफ) तेजी से रूपान्तर रूपांतरण मानचित्रण (FFTM) छवियों की (ए, सी, ई) उत्तल और (बी, डी, एफ) बीटी पतली फिल्मों के गुफा क्षेत्रों । FFTM छवियों के झुकाव रहे है (सी, डी) [1-10] और (ई, एफ) [11-1] । FFTM छवियों में, हरे और लाल क्षेत्रों जहां संपीड़न और तन्य तनाव क्रमशः लागू कर रहे हैं क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि पीले संदर्भ क्षेत्र को इंगित करता है. विश्लेषण के लिए प्रयुक्त ओरिएंटेशन भी शामिल है (बाएं) । यह आंकड़ा सुजुकी, एन एट अल से संशोधित किया गया है । 13 क्रिएटिव कॉमंस रोपण (CC BY) लाइसेंस के अनुसार । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 5: porosity प्रेरित तनाव का विश्लेषण । विरूपण के हिस्टोग्राम (क) उत्तल (चित्रा 4a, चित्रा 4c, और चित्रा 4e) और (ख) गुफा (चित्रा 4b, चित्रा 4d, चित्रा 4f) क्षेत्रों छिद्रित बीटी पतली फिल्म में विश्लेषण किया । यह आंकड़ा सुजुकी, एन एट अल.13 से क्रिएटिव कॉमंस रोपण (सीसी द्वारा) लाइसेंस के अनुसार संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
चित्रा 6: ferroelectric चरण के थर्मल स्थिरता । के रमन स्पेक्ट्रम के तापमान पर निर्भरता (एक) एक थोक बीटी एकल क्रिस्टल और (ख) एक संश्लेषित बीटी पतली फिल्म । यह आंकड़ा सुजुकी, एन एट अल से संशोधित किया गया है । 13 क्रिएटिव कॉमंस रोपण (CC BY) लाइसेंस के अनुसार । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Discussion
एक छिद्रित बीटी पतली फिल्म के रमन स्पेक्ट्रम में एक1(करने के लिए) मोड के बंटवारे (आंकड़ा 3 बी) संपीड़न तनाव से उत्पन्न होती है. यह सुविधा स्पष्ट रूप से FFTM विधि द्वारा मनाया गया था (चित्रा 4) और [1-10] दिशा में इसकी anisotropy विरूपण (चित्रा 5) के हिस्टोग्राम से निर्धारित किया गया था । [1-10] दिशा के साथ संपीड़न तनाव (001) सतह में द्विअक्षीय संपीड़न तनाव उत्प्रेरण का एक समान प्रभाव है, जो1बीटी में ferroelectricity को बढ़ाता है । छिद्रित संचालित अनिसोट्रोपिक तनाव सी-अक्ष की ओर क्रिस्टल जाली बढ़ाव, तिवारी के आगे अव्यवस्था के कारण4 + जाली के केंद्र से । इस विस्थापन से इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय पल की वृद्धि होने की उम्मीद है, जो बदले में इसकी लोह (पीजो) बिजली को बढ़ाता है । दरअसल, एक mesoporous बीटी फिल्म के piezoelectricity एक गैर-छिद्र फिल्म8के लिए बेहतर है ।
बीटी क्रिस्टल जाली में प्रेरित तनाव विकृत चतुष्कोणीय चरण स्थिर है । इस प्रकार, जाली के थर्मल स्थिरता में इजाफा होने की उंमीद है । छिद्रित बीटी पतली फिल्म के रमन स्पेक्ट्रम ने चतुष्कोणीय चरण उद्गम चोटी को दिखाया (710 सेमी− 1) में 375 डिग्री सेल्सियस तक दिखाई दे रहा था, हालांकि चोटी धीरे-धीरे कमज़ोर और व्यापक (फिगर घमण्ड) बन गई । इस प्रवृत्ति के समान था कि एक पिछले अध्ययन में पाया, जिसमें टीसी के लिए 470 °8होने का अनुमान था । इस प्रकार, हम इस धारणा है कि ताकना-बीटी पतली फिल्म में तनाव को प्रभावी ढंग से संचालित थर्मल चतुष्कोणीय चरण स्थिर की पुष्टि की ।
इस अध्ययन के माध्यम से, हम स्पष्ट है कि ताकना प्रेरित एक सरल और सस्ती रासायनिक प्रक्रिया द्वारा गठित तनाव एक hetero-जाली बेमेल से उत्पंन अंतरफलक पर तनाव की है कि एक समान प्रभाव है । इन निष्कर्षों तनाव इंजीनियरिंग में उपंयास अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं ।
Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
एन. एस. जापान सोसायटी द्वारा विज्ञान के संवर्धन के लिए आर्थिक रूप से समर्थित था (JSPS) अनुदान में सहायता के लिए वैज्ञानिक अनुसंधान (KAKENHI) (अनुदान सं. २६८१०१२६) । y. y. वैज्ञानिक अनुसंधान के डीन के आभारी है, वैज्ञानिक अनुसंधान कुर्सियों के वाइस डीन के माध्यम से संस्थापक के लिए राजा सऊद विश्वविद्यालय ।
वाइड-एंगल XRD मापन नैनो-प्रोसेसिंग सुविधा पर आयोजित की गई थी, जिसका समर्थन नवाचार-बूस्टिंग उपकरण कॉमन (IBEC) इनोवेशन प्लेटफॉर्म, नेशनल इंस्टिट्यूट फॉर एडवांस्ड इंडस्ट्रियल साइंस एंड टेक्नोलॉजी (AIST), जापान ने किया था । रमन स्पेक्ट्रा माप और असुरक्षित पतली फिल्म के उनि अवलोकन HORIBA टेक्नो सेवा कं, लिमिटेड और सामग्री विज्ञान और जापान की प्रौद्योगिकी के संवर्धन के लिए फाउंडेशन द्वारा आयोजित किया गया था (MST), क्रमशः । MST भी उनि छवियों से तनाव के दृश्य का आयोजन किया । हम इस पांडुलिपि का एक मसौदा संपादन के लिए एंड्रयू जैक्सन, पीएचडी, Edanz समूह (www.edanzediting.com/ac) से धंयवाद ।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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