Здесь мы представляем протокол для синтеза пористых бария титаната (3Батио) тонкой пленки при содействии ПАВ золь гель методом, в котором мицелл ПАВ собственн-собранные амфифильными используются как шаблон органических.
Титанат бария (Батио3, далее BT) является установленным сегнетоэлектрик впервые обнаружили в 1940-х и до сих пор широко используется из-за его сбалансированный Сегнетоэлектричество, пьезоэлектричество и диэлектрическая константа. Кроме того БТ не содержит каких-либо токсичных элементов. Таким образом он считается экологически чистый материал, который вызвал значительный интерес как замена для титаната цирконата свинца (PZT). Однако основная БТ теряет свою Сегнетоэлектричество на приблизительно 130 ° C, таким образом, он не может использоваться при высоких температурах. Из-за растущего спроса на высокой температуры сегнетоэлектрические материалы это важно для повышения термостабильности Сегнетоэлектричество в БТ в предыдущих исследованиях, была использована штамм возникая от решетки несоответствие в гетеро интерфейсы. Однако подготовка образца в этот подход требует сложных и дорогостоящих физических процессов, которые нежелательны для практического применения.
В этом исследовании мы предлагаем химический синтез пористого материала как альтернативного способа введения штамма. Мы синтезированных пористых BT тонкой пленки с помощью ПАВ помощь золь гель методом, в котором собственн-собранные амфифильными мицелл ПАВ были использованы в качестве органических шаблон. Через серию исследований мы пояснил, что введение поры имели аналогичный эффект на искажения кристаллической решетки BT, гетеро-интерфейса, привело к повышению и стабилизации Сегнетоэлектричество. Благодаря своей простоте и эффективности затрат этот процесс изготовления имеет значительные преимущества перед обычными методами.
Титанат бария (Батио3, далее BT) является типичной перовскита тип сегнетоэлектрик. Хотя его сегнетоэлектрические свойства были обнаружены в 1940-х, до сих пор широко используется сегодня из-за его сбалансированный сегнетоэлектриков и пьезоэлектрические ответы и благоприятные диэлектрическая константа. Кроме того потому что BT свинца, экологически чистый материал, она привлекла большой интерес как замена для титаната цирконата свинца (PZT). При комнатной температуре, кристаллической фазы BT тетрагональной, где соотношение c и решетчатые параметров (c/) не равен 1. В тетрагональной фазе, BT решетки слегка удлиненные к c-оси и (Ba2 +, Ti4 +) катионов и анионов (O2−) являются перемещенными лицами в противоположных направлениях. Это смещение приводит к спонтанной поляризации БТ, когда температура увеличивается до температуры Кюри (Tc), происходит фазовый переход к этапу кубических. В кубических фазе БТ, который имеет c/ = 1, расслабленной искажения решетки, и его Сегнетоэлектричество теряется вследствие электрической нейтральности, возникая от инверсии симметрии решетки. Недавно расширил использование высоких температур сегнетоэлектрических материалов. Однако, Tc BT является относительно низким (~130 ° C) и основная БТ не соотвествовать эти.
Чтобы увеличить Tc БТ, сегнетоэлектрических (тетрагональной) фаза стабилизировалась приложением напряжения на гетеро интерфейс. К примеру Чой et al. Улучшено Сегнетоэлектричество BT фильмов epitaxially вырос на GdScO3 (110) и DyScO3 (110) подложках с использованием биаксиально компрессионных деформации, вызванные решетки несоответствие1. Однако увеличение Tc ограничен очень тонких пленок (десятков нанометров толстые)2,3, который является непрактичным для приложений для устройств.
Для увеличения толщины пленки BT предотвращая штамм релаксации, были разработаны сверхрешетки (периодическая структура очень тонких слоев) и трехмерных (3D) гетеро наноструктур. Harrington et al. синтезированных вертикальной Мезоструктура BT и Sm2O3 и получил микрометр масштаба приказал толстая пленка без деформации релаксации. В этом образце спонтанная поляризация является ориентирована перпендикулярно подложки благодаря одноосные расширение BT ячейки; Таким образом, большой остаток поляризации сохранялся при высокой температуре (т.е., Tc был больше чем 800 ° C)4. Полученные свойства были удовлетворительными; Однако сложный и дорогостоящий процесс физической (импульсной лазерной наплавки) необходима для изготовления, который является недостатком для практического применения.
Как альтернативного изготовление снисходительный и недорогой процесс мы предложили химического синтеза нанокомпозитов 3D введением прекурсоров решения БТ в поры тонкой пленки пористые стронция титаната (SrTiO3, далее ST)5 . В исследовании, пористые ST тонкопленочных был синтезирован при содействии ПАВ золь гель методом, в котором самосборки амфифильными сурфактанта мицеллы был использован в качестве органических шаблон6,7. Этот метод является схематически показан на рисунке 1. Поскольку полученные ST тонкая пленка имеет сложные 3D пористую структуру с большой площадью поверхности, напряжение на BT/ST гетеро интерфейс вводится в нанокомпозитных, ведущих к стабилизации сегнетоэлектрических фазе БТ ( Tc ST / BT нанокомпозитных достигло 230 ° C).
Мы предположили, что пористость может непосредственно ввести штамм в BT и повышения термостабильности сегнетоэлектрические свойства. В этом исследовании мы использовали при содействии ПАВ золь гель методом изготовления пористых BT и изучать поры индуцированной штамм. Кроме того мы сравнили термической стабильности между пористой BT и непористых основная БТ, мы обнаружили, что введено поры индуцированной анизотропной штамм, который вытянутые BT кристаллической решетки. Этот эффект может быть благоприятным для стабилизации сегнетоэлектрических фазы. Потому что процесс синтеза, используемый здесь очень проста, она имеет преимущества перед обычными физических процессов для 3D гетеро наноструктур.
Расщепление режим1(в) Aв спектре комбинационного пористых BT тонкой пленки (рис. 3b) происходит от сжимающие напряжения. Эта функция была четко прослеживается по методу FFTM (рис. 4) и ее анизотропии в направлении [1-10] было определено от гистограммы искажения (рис. 5). Сжимающие напряжения вдоль направления [1-10] имеет аналогичный эффект индуцировать двухосных сжимающие напряжения в поверхности (001), который повышает Сегнетоэлектричество в BT1. Пористые ведомый анизотропной штамм удлиняется кристаллической решетки к c-ось, вызывая дальнейшее вывиха Ti4 + из центра решетки. Ожидается, что эта дислокация увеличить Электрический дипольный момент, который в свою очередь повышает своих Ферро (piezo) электроэнергии. Действительно пьезоэлектричество мезопористых БТ фильм выше, не пористых фильм8.
Напряжение наведенное в кристаллической решетке BT стабилизирует искаженные тетрагональная фазы. Таким образом термостабильность решетки, как ожидается, повысится. Раман спектр пористых BT тонкой пленки показали, что пик происхождения тетрагональная фазы (на 710 см−1) оставался видимым до 375 ° C, хотя пик постепенно стал слабее и более широких (Рисунок 6b). Эта тенденция была аналогично, найденному в предыдущем исследовании, в котором Tc составил 470 ° C8. Таким образом мы подтвердили предположение, что поры driven штамм в тонкопленочных BT эффективно термически стабилизировалась тетрагональная фазы.
Благодаря этому исследованию мы разъясняли, что поры индуцированной штамм, формируется с помощью простой и недорогой химические процедуры имеет аналогичный эффект, что штамм гетеро-интерфейса возникла из решетки несоответствия. Эти результаты обеспечивают Роман понимание штамм инженерии.
The authors have nothing to disclose.
Н. с. был финансовой поддержке японского общества для поощрения науки (JSP) субсидий для научных исследований (KAKENHI) (Грант № 26810126). Ю. ю. благодарна Deanship научных исследований, Университет короля Сауда для основания через Deanship научных исследований заместителей.
Широкоугольный XRD измерения проводились на объекте нано-обработки, при поддержке инноваций-форсируя оборудование общей (МБЭС) инноваций платформы, национального института передовых промышленных наук и технологий (Аист), Япония. Измерение спектров комбинационного и ТЕА наблюдения пористых тонкой пленки был проведен HORIBA техно сервис Co., Ltd. и фонд для поощрения материаловедения и технологии Японии (MST), соответственно. MST также провел визуализации штамм от изображений ТЕА. Мы благодарим Эндрю Джексон, PhD, Edanz группы (www.edanzediting.com/ac) для редактирования проекта этой рукописи.
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 |