Här presenterar vi ett protokoll för syntesen av porösa barium titanate (BaTiO3) tunn film av ett ytaktivt ämne-assisterad sol-gel metod, där själv monterade amfipatiska tensid miceller används som en ekologisk mall.
Barium titanate (BaTiO3, härefter BT) är en etablerad ferroelektrisk material först upptäcktes på 1940-talet och fortfarande används på grund av dess välbalanserade ferroelectricity och piezoelektricitet Dielektricitetskonstant. Dessutom innehåller BT inte några giftiga ämnen. Därför anses det vara en eco-vänliga material, som har väckt stort intresse som en ersättning för bly zirconat titanate (PZT). Men bulk BT förlorar dess ferroelectricity vid ca 130 ° C, därmed, det kan inte användas vid höga temperaturer. På grund av den växande efterfrågan på hög temperatur ferroelektrisk material, är det viktigt att öka den termiska stabiliteten av ferroelectricity i BT. i tidigare studier, stam med ursprung från den gitter obalansen på hetero-gränssnitt har använts. Provberedningen i detta tillvägagångssätt kräver dock komplicerade och dyra fysiska processer, vilket är önskvärt för praktiska tillämpningar.
I denna studie föreslår vi en kemisk syntes av ett poröst material som ett alternativt sätt att införa stam. Vi syntetiseras en porös BT tunn film med en tensid-assisterad sol-gel metod, där själv monterade amfipatiska tensid miceller användes som en ekologisk mall. Genom en serie av studier klargjorde vi att införandet av porerna hade en liknande effekt på snedvrider det BT crystal gallret, som av en hetero-gränssnitt, leder till förstärkning och stabilisering av ferroelectricity. På grund av dess enkelhet och kostnad-effektivitet har detta tillverkningsprocessen betydande fördelar jämfört med konventionella metoder.
Barium titanate (BaTiO3, härefter BT) är en typisk perovskit-typ ferroelektrisk material. Även om dess ferroelektrisk egenskaper upptäcktes på 1940-talet, är det fortfarande allmänt används idag på grund av dess välbalanserade ferroelektrisk och piezoelektriska svar och gynnsamma Dielektricitetskonstant. Dessutom eftersom BT är en blyfri, miljövänliga material, har lockat till sig stort intresse som en ersättning för bly zirconat titanate (PZT). Vid rumstemperatur, fasen crystal BT är tetragonal, där förhållandet mellan c och ett galler parametrar (c/en) är inte lika med 1. I tetragonala fas, BT väven blir en aning utdragna mot c-axeln och katjoner (Ba2 +, Ti4 +) och anjoner (O2−) är fördrivna i motsatta riktningar. Denna förskjutning resultat i den spontana polariseringen av BT. När temperaturen ökar till Curie temperaturen (Tc), en fasövergång till fasen cubic uppstår. I kubik fasen av BT, som har c/en = 1, lattice snedvridning är avslappnad och dess ferroelectricity går förlorade på grund av elektriska neutralitet med ursprung från inversion symmetrin av gallret. Nyligen, användning av hög temperatur ferroelektrisk material har expanderat. Tc för BT är dock relativt låg (~130 ° C) och bulk BT inte uppfyller dessa krav.
För att öka Tc för BT, stabiliserats fasen ferroelektrisk (tetragonala) genom tillämpning av påfrestning vid hetero-gränssnittet. Choi et al. fördjupat ferroelectricity BT filmer epitaxially odlas på GdScO3 (110) och DyScO3 (110) substrat med hjälp av biaxiell tryckkraft påfrestningar orsakade av galler mismatch1. Ökningen av Tc är dock begränsad till mycket tunna filmer (tiotals nanometer tjock)2,3, vilket är opraktiskt för enheten program.
För att öka den BT filmtjockleken samtidigt förhindra stam avkoppling, har superlattice (periodisk struktur av mycket tunna lager) och tredimensionella (3D) hetero-nanostrukturer utvecklats. Harrington et al. syntetiseras en vertikal mesostructure av BT och Sm2O3 och erhålls en mikrometer-skala-beställt tjockfilm utan stam avkoppling. I det här exemplet är spontana polarisering orienterade vinkelrätt mot underlaget på grund av enaxiella expansion av cellen BT enhet; således en stor kvarleva polarisering bibehölls vid hög temperatur (dvs., Tc var större än 800 ° C)4. De erhållna egenskaperna var tillfredsställande. dock krävdes en komplicerad och dyr fysisk process (Pulsade-laser deposition) för tillverkning, vilket är en nackdel för praktiska tillämpningar.
Som en alternativ lättköpt och billig fabrication process, har vi föreslagit den kemiska syntesen av 3D nanokompositer genom införandet av en föregångare lösning av BT in i porerna i en porös strontium titanate (SrTiO3, härefter ST) tunn film5 . I studien, porösa ST tunna filmen var syntetiseras av ett ytaktivt ämne-assisterad sol-gel-metoden, där den självmontering amfipatiska tensid miceller användes som en ekologisk mall6,7. Metoden illustreras schematiskt i figur 1. Eftersom den erhållna ST tunn filmen har en komplex 3D porös struktur med en stor yta, stam på BT/ST hetero-gränssnittet introduceras i den nanocomposite, leder till stabiliseringen av den ferroelektriska fasen av BT ( Tc för ST / BT nanocomposite nått 230 ° C).
Vi hade en hypotes som porositet kunde direkt införa stam i BT och förbättra den termiska stabiliteten i ferroelektrisk boenden. I denna studie använde vi en tensid-assisterad sol-gel metod att fabricera porösa BT och granska den por-inducerad stammen. Dessutom jämförde vi termisk stabilitet mellan porösa BT och nonporous bulk BT. Vi hittade att introducerade porerna inducerade en Anisotrop stam, som avlånga det BT crystal gallret. Denna effekt kan vara gynnsamma för att stabilisera den ferroelektriska fasen. Eftersom syntesprocessen används här är mycket enkel, har fördelar jämfört med konventionella fysikaliska processer för 3D hetero-nanostrukturer.
Uppdelning av på A1(TO) läget i Raman spectrumen av en porös BT tunn film (figur 3b) härstammar från tryckkraft stam. Den här funktionen observerades tydligt av metoden FFTM (figur 4) och dess anisotropy i [1-10] riktning bestämdes från histogrammet av distorsion (figur 5). Tryckkraft stam längs [1-10] riktning har en liknande effekt inducera biaxiell tryckkraft stam i (001) ytan, som förstärker ferroelectricity i BT1. Porösa driven Anisotrop stam förlänger det crystal gallret mot c-axeln, orsakar ytterligare luxerad Ti4 + från mitten av gallret. Denna dislokation förväntas öka den elektriska dipolmoment, som i sin tur förbättrar dess ferro (piezo) el. Piezoelectricity av en mesoporous BT film är faktiskt bättre än en icke-porös film8.
Den stam som induceras i BT crystal gallret stabiliserar den förvrängda tetragonala fasen. Således är den termiska stabiliteten av gallret förväntas förbättras. Raman spectrumen av den porösa BT tunn film visade tetragonala fas ursprung toppen (vid 710 cm−1) förblev synlig tills 375 ° C, även om toppen blev gradvis svagare och bredare (figur 6b). Denna trend var liknande som finns i en tidigare studie, där de Tc uppskattades till 470 ° C8. Således bekräftat vi antagandet att por-driven stammen i BT tunna filmen effektivt termiskt stabiliserad fasen tetragonal.
Genom denna studie förtydligat vi att por-inducerad stam bildas av en enkel och billig kemisk procedur har en liknande effekt som stam på en hetero-gränssnitt som härstammar från lattice mismatch. Dessa fynd ger nya insikter i stam engineering.
The authors have nothing to disclose.
N. S. stöddes ekonomiskt av Japan Society för den befordran av vetenskap (JSPS) bidrag för vetenskaplig forskning (KAKENHI) (Grant nr 26810126). Y. Y. är tacksam för den Deanship av vetenskapliga forskningen, King Saud University för grundandet genom Deanship av vetenskaplig forskning viceordföranden.
Vidvinkel XRD mätningar genomfördes på anläggningen i Nano-behandling, stöd av Innovation-öka utrustning gemensamt (IBEC) Innovation plattform, Institutet för avancerad industriell vetenskap och teknik (AIST), Japan. Raman spectra mätning och TEM observation av den porösa tunn filmen genomfördes av HORIBA TECHNO SERVICE Co., Ltd. och Foundation för främjande av materialvetenskap och teknik i Japan (MST), respektive. MST genomförde också visualisering av stammen från TEM bilder. Vi tackar Andrew Jackson, PhD, från Edanz-gruppen (www.edanzediting.com/ac) för att redigera ett utkast till detta 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 |