Hier presenteren we een protocol voor de synthese van poreuze barium titanate (BaTiO3) dunne film door een oppervlakteactieve stof-bijgewoonde sol-gel-methode, waarbij zelf geassembleerde amphipathic oppervlakteactieve stof micellen worden gebruikt als een biologische sjabloon.
Barium titanate (BaTiO3, hierna BT) is een gevestigde ferroelektrische materiaal voor het eerst ontdekt in de jaren 1940 en nog steeds veel gebruikt vanwege de evenwichtige ferroelectricity, de piezoelectricity en de diëlektrische constante. Bovendien bevat geen BT giftige stoffen. Dus, het is beschouwd als een eco-vriendelijk materiaal, dat grote belangstelling heeft aangetrokken als vervanger van lood zirconate titanate (PZT). Echter, bulk BT verliest haar ferroelectricity bij ongeveer 130 ° C, dus het kan niet worden gebruikt bij hoge temperaturen. Vanwege de groeiende vraag naar hoge-temperatuur ferroelektrische materialen, het is belangrijk om het verbeteren van de thermische stabiliteit van ferroelectricity in BT. In eerdere studies, stam die afkomstig zijn uit de lattice mismatch op hetero-interfaces is gebruikt. De bereiding van de monsters in deze aanpak vereist echter ingewikkeld en duur fysieke processen, die ongewenst voor praktische toepassingen zijn.
In deze studie stellen wij een chemische synthese van een poreus materiaal als een alternatief middel van de invoering van de stam. We een poreuze BT dunne film met behulp van een oppervlakteactieve stof-bijgewoonde sol-gel-methode, waarin zelf geassembleerde amphipathic oppervlakteactieve stof micellen werden gebruikt als een biologische sjabloon gesynthetiseerd. Door een reeks van studies, we duidelijk gemaakt dat de invoering van poriën had een soortgelijk effect op het verstoren van het kristalrooster BT, dat voor een hetero-interface, wat leidt tot de versterking en de stabilisatie van de ferroelectricity. Deze productie-procédé heeft vanwege haar eenvoud en kosteneffectiviteit, aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele methoden.
Barium titanate (BaTiO3, hierna BT) is een typische perovskiet-soort ferroelektrische materiaal. Hoewel de ferroelektrische eigenschappen werden ontdekt in de jaren 1940, wordt nog steeds veel gebruikt vandaag vanwege zijn uitgebalanceerde ferroelektrische en piëzo-elektrische reacties en gunstige diëlektrische constante. Anderzijds omdat BT een loodvrij, eco-vriendelijk materiaal is, heeft het veel belangstelling getrokken als een vervanging voor voorsprong zirconate titanate (PZT). Bij kamertemperatuur, is de crystal fase van BT tetragonale, waar de verhouding tussen c pt een rooster parameters (c/een) is niet gelijk aan 1. In de tetragonale fase, de BT-rooster is iets langwerpige naar de c-as en de kationen (Ba2 +, Ti4 +) en de anionen (O2−) zijn ontheemd in tegengestelde richtingen. De resultaten van deze verplaatsing in de spontane polarisatie van BT. Wanneer de temperatuur stijgt tot de Curie temperatuur (Tc), een faseovergang naar de kubieke fase optreedt. In de kubieke fase van BT, heeft die c/een = 1, de lattice vervorming is ontspannen, en haar ferroelectricity is verloren als gevolg van de elektrische neutraliteit die afkomstig zijn uit de symmetrie van de inversie van het lattice. Onlangs, heeft het gebruik van hoge temperatuur ferroelektrische materialen uitgebreid. De T–c van BT is echter relatief laag (~130 ° C) en bulk BT niet voldoet aan deze eisen.
Het vergroten van de Tc van BT, heeft de ferroelektrische (tetragonale) fase door de toepassing van de belasting op de hetero-interface gestabiliseerd. Bijvoorbeeld, verbeterde Choi et al. het ferroelectricity van BT films epitaxially geteeld op GdScO3 (110) en DyScO3 (110) substraten met behulp van biaxial druksterkte spanning veroorzaakt door lattice mismatch1. De toename van Tc is echter beperkt tot zeer dunne lagen (tientallen nanometer dik)2,3, die onpraktisch voor toepassingen van het apparaat.
Het vergroten van de BT-laagdikte terwijl het voorkomen van stam ontspanning, zijn superlattice (periodieke structuur van zeer dunne lagen) en driedimensionale (3D) hetero-nanostructuren ontwikkeld. Harrington et al. een verticale mesostructure van BT en Sm2O3 gesynthetiseerd en verkregen een micrometer-schaal-besteld dikke film zonder stam ontspanning. In dit voorbeeld is de spontane polarisatie georiënteerde loodrecht op de ondergrond als gevolg van eenassige expansie van de BT eenheidscel; Dus, een grote restant polarisatie is gehandhaafd op hoge temperatuur (dwz., de T–c was groter dan 800 ° C)4. De verkregen eigenschappen waren bevredigend; Er was echter een gecompliceerde en dure fysisch procédé (pulsed-laser deposition) vereist voor de fabricage, dat een nadeel voor praktische toepassingen is.
Als een alternatieve facile en goedkope productie-procédé, hebben wij de chemische synthese van 3D nanocomposieten voorgesteld door de invoering van een oplossing van de voorloper van BT in de poriën van een poreuze strontium titanate (SrTiO3, hiernamaals ST) dunne film5 . In de studie, de poreuze ST dunne film werd gesynthetiseerd door een oppervlakteactieve stof-bijgewoonde sol-gel-methode, waarin de zelf-assemblage van amphipathic oppervlakteactieve stof micellen werd gebruikt als een biologische sjabloon6,7. De methode is schematisch weergegeven in Figuur 1. Omdat de verkregen ST dunne film een complexe 3D-poreuze structuur met een grote oppervlakte heeft, spanning op de BT/ST hetero-interface wordt binnengebracht in de nanocomposietmaterialen, leidt tot de stabilisering van de ferroelektrische fase van BT (de Tc van ST / BT nanocomposietmaterialen bereikt 230 ° C).
Wij die hypothetische porositeit kon direct spanning in BT introduceren en verbeteren van de thermische stabiliteit van ferroelektrische eigenschappen. In deze studie gebruikten we een oppervlakteactieve stof-bijgewoonde sol-gel-methode te fabriceren van poreuze BT en onderzoekt de porie-geïnduceerde spanning. Bovendien, vergeleken we de thermische stabiliteit tussen poreuze BT en nonporous bulk BT. vonden We dat de geïntroduceerde poriën veroorzaakte een anisotrope stam, die de BT kristalrooster langwerpige. Dit effect is mogelijk gunstig voor het stabiliseren van de ferroelektrische fase. Omdat het proces van de synthese die hier gebruikt zeer eenvoudig is, heeft het voordelen ten opzichte van conventionele fysieke processen voor 3D hetero-nanostructuren.
De splitsing van de A1(TO) stand in het spectrum van de Raman van een poreuze BT dunne film (Figuur 3b), is afkomstig van druksterkte stam. Deze functie werd duidelijk waargenomen door de FFTM-methode (Figuur 4) en de anisotropie in de richting van de [1-10] werd bepaald op basis van het histogram van de vervorming (Figuur 5). Druksterkte stam in de richting van de [1-10] heeft een soortgelijk effect van inducerende biaxial druksterkte stam in het (001) oppervlak, waardoor de ferroelectricity in BT1nog meer versterkt. Poreuze gedreven anisotrope stam kieuwopeningenvorm het kristalrooster naar de c-as, waardoor verdere dislocatie van Ti4 + vanaf het midden van het lattice. Deze dislocatie naar verwachting toenemen de elektrisch dipoolmoment, die op zijn beurt de ferro (piëzo) elektriciteit verhoogt. Inderdaad, de piezoelectricity van een mesoporous BT film is superieur aan die van een niet-poreuze film8.
De spanning geïnduceerd in het kristalrooster BT stabiliseert de vervormde tetragonale fase. De thermische stabiliteit van het lattice verwachting dus worden versterkt. De Raman-spectrum van de poreuze BT dunne film toonde dat de tetragonale fase oorsprong piek (op 710 cm−1) bleven zichtbaar tot 375 ° C, hoewel de piek werd geleidelijk zwakker en bredere (Figuur 6b). Deze trend was vergelijkbaar met die gevonden in een eerdere studie, waarin de Tc werd geschat op 470 ° C8. Dus, we hebben de veronderstelling dat de porie-gedreven stam in de dunne film van BT effectief thermisch gestabiliseerd de tetragonale fase bevestigd.
Door middel van deze studie, we duidelijk gemaakt dat porie-geïnduceerde stam gevormd door een eenvoudige en goedkope chemische procedure hetzelfde effect als die van de stam op een hetero-interface lattice discrepantie vandaan heeft. Deze bevindingen geven nieuwe inzichten in techniek van de stam.
The authors have nothing to disclose.
N. S. werd financieel ondersteund door de vereniging van Japan voor de promotie van wetenschap (JSPS) Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek (KAKENHI) (Grant nr. 26810126). Y. Y. is dankbaar voor de decaan voor wetenschappelijk onderzoek, Koning Saud Universiteit voor oprichting door Vice decaan van wetenschappelijke Research Chairs.
Groothoek XRD metingen werden uitgevoerd bij de Nano-Processing Facility, ondersteund door het stimuleren van innovatie apparatuur gemeenschappelijk (IBEC) innovatie Platform, Nationaal Instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST), Japan. Raman spectra meting en TEM observatie van de poreuze dunne film werd uitgevoerd door HORIBA TECHNO SERVICE Co., Ltd. en Stichting voor de bevordering van de materiaalkunde en technologie van Japan (MST), respectievelijk. MST leidee visualisatie van de stam van TEM beelden. Wij danken Andrew Jackson, PhD, van de Edanz groep (www.edanzediting.com/ac) voor het bewerken van een ontwerp van dit manuscript.
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 |