化学合成チタン酸バリウム多孔質セラミックス薄膜の気孔率誘起歪による強誘電相の熱安定化

要約

ここでは、有機テンプレートとして使用される自己組織化両親媒性界面活性剤ミセルの界面活性剤によるゾル-ゲル法による (₃本) チタン酸バリウム多孔質セラミックス薄膜の合成のためのプロトコルを提案する.

要約

チタン酸バリウム (本₃、以下 BT) は、まず 1940 年代に発見され、そのバランスのとれた強誘電性、圧電性、誘電率のためにまだ広く確立された強誘電性素材です。さらに、BT では、任意の有毒な要素は含まれません。したがって、それは、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) のための取り替えとして注目を集めている、環境に優しい材料といえます。しかし、一括 BT 約 130 ° C でその強誘電性を失う、従って、それは高温で使用できません。高温強誘電性材料の需要があるため bt 社の先行研究における強誘電性の熱安定性を高めることが重要です、ヘテロ界面における格子不整合に起因するひずみを使用されています。ただし、この方法では試料調製は実用的なアプリケーションのために望ましくない、複雑で高価の物理的なプロセスが必要です。

本研究では歪みを導入することの代替手段としての多孔質材料の化学合成を提案する.我々 は自己組織化両親媒性界面活性剤ミセルが有機テンプレートとして使われた界面活性剤によるゾル-ゲル法を用いた多孔質 BT 薄膜を合成しました。研究のシリーズを通して明らかにした毛穴の導入がヘテロ界面に、BT の結晶格子をゆがめようと同様の効果を持っていたこと強誘電性の安定化と向上に 。そのシンプルさと費用対効果により作製従来のかなりの利点があります。

概要

チタン酸バリウム (本₃、以下 BT) は典型的なペロブスカイト型強誘電体材料です。その強誘電特性が 1940 年代に発見されたが、そのバランスのとれた強誘電・圧電応答と良好な誘電のため今日に使用されますまだ広く。さらに、BT は、鉛フリー、環境に優しい素材は、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) のための取り替えとして大きな関心を集めているそれ。常温で BT の結晶相が正方晶、 cと、比格子パラメーター (c/、) が 1 と等しくないです。BT 格子正方晶相で少しcの方が細長く-(O^{2 −}) の陰イオンと陽イオン (Ba^{2 +}Ti^{4 +}) 軸を反対方向に避難。このときに bt 社の自発分極の変位の結果温度上昇にキュリー温度 (T_c) キュービック相への相転移が発生します。Cは、BT のキュービック相の/、 = 1、格子歪みが緩和され、その強誘電性が格子の反転対称性から電気中立性により、失われました。最近、高温強誘電性材料の使用が拡大しています。しかし、BT のT_cは比較的低い (~130 ° C) および一括 BT はこれらの要求を満たさない。

BT のT_cを増やす、ヘテロ界面のひずみによる強誘電性 (正方晶) 相を安定化されています。たとえば、チェらは GdScO₃ (110) と格子ミスマッチ¹二軸圧縮ひずみを使用して DyScO₃ (110) 基板上にエピタキシャル成長した BT 薄膜の強誘電性を強化しました。ただし、 T_cの増加は、デバイス アプリケーションのための実用的である非常に薄い膜 (数十ナノメートル厚)^2,3, に限定されます。

歪緩和を防止しながら BT 膜厚を増加するには、超格子 (非常に薄い層の周期的な構造) と 3次元 (3 D) ヘテロ構造が開発されています。ハリントンらBT と Sm₂O₃の垂直メソ構造を有する合成を行いマイクロメータ スケール注文厚膜ひずみ緩和なし。このサンプルでは、自発分極が BT ユニット セルの一軸の膨張により基板に対して垂直に方向したがって、大きな残留分極が高温に保たれた (すなわち。、 T_cは、800 ° C 以上)⁴。得られた特性が不十分である;しかし、複雑で高価な物理過程 (パルス レーザー蒸着法) は実用的なアプリケーションの欠点は、製作に必要です。

代替安易で安価な作製プロセスとして我々 は多孔性ストロンチウム (以下 ST、チタン酸ストロンチウム₃) チタン酸薄膜^{5 の毛穴に BT の前駆体溶液の導入によって 3 D ナノ複合体の合成を提案しています。}.界面活性剤によるゾル-ゲル法により合成された ST の多孔質薄膜研究で、自己集合両親媒性界面活性剤のミセルとして使用されていた有機テンプレート^6,7。メソッドは、図 1に模式的に示すが。BT の強誘電相の安定化につながる、ナノコンポジットに BT/セント ヘテロ界面のひずみが導入されて得られた ST 薄膜は大きな表面積を持つ複雑な 3次元多孔質構造があるため (ST のT_c /BT ナノコンポジット 230 ° C に達して)。

私たちと仮定気孔率が直接 BT で歪みを導入して強誘電特性の熱安定性を高めます。本研究では多孔質 BT を作製し、細孔誘起ひずみを精査に界面活性剤によるゾル-ゲル法を使用しました。さらに、多孔質の BT と無孔一括 bt 社導入毛穴誘起異方性歪、BT の結晶格子を伸長することがわかったと熱安定性を比較しました。この効果は、強誘電相の安定化のために好ましいかもしれない。ここで使用される合成プロセスは非常に簡単、ので 3 D 状ヘテロナノ構造体の従来の物理的なプロセス上の利点があります。

プロトコル

1. 前駆体溶液の調製

1. ジブロック共重合体 PS(18000)-bの 50 mg を溶解 1.5 ml 40 ° C でテトラヒドロ フランの-PEO(7500)部屋の温度 (RT) 高分子溶液を冷却します。
2. バリウム酢酸溶液にチタン ピペロニルブトキシドのルート追加 170 mg 酢酸バリウム 5 分クール 40 ° C で攪拌による酢酸の 830 μ L の酢酸バリウムの 127.7 mg を溶解し、1 分の反応混合物をかき混ぜます。
3. バリウム酢酸溶液に滴下ポリマー溶液を追加します。

2. チタン酸バリウム メソポーラス薄膜の合成

1. スピン コーターのステージで Si/SiO_x/Ti/Pt 基板 (2 cm × 2 cm) を設定し、基板を完全カバーするため準備された前駆体溶液をドロップします。
   注: 膜厚 SiO_x, Ti, Pt の層が約 1.6、40、および 150 nm、それぞれ。
2. Si/SiO_xTi/Pt 基板 5 の 500 rpm でスピン s (1 ステップ) とし、3,000 rpm 30 s (第 2 段階)、連続して。
3. ホット プレート上として用意してフィルムを配置し、加齢 5 分の 120 ° C に熱するため、当然部屋の温度 (RT) クールなことができます。
4. まっフル炉、カルサイン 1 ° C/分 (加熱と冷却の両方) のためのランプに入る率 10 分の 800 ° C の空気中で熱処理したフィルムを配置します。

3。 評価

1. 形態学的および結晶構造の評価
   1. 走査型電子顕微鏡 (SEM) 測定
      1. 試料ステージ上にサンプルを置くし、サンプルを修正するカーボン テープの角をカバーします。試料ホルダーの高さを調整します。
      2. 読み込みロッド サンプル ホルダーをセット、SEM. の位置に試料ホルダーに挿入 8 mm の作動距離にあるホーム ポジション。
      3. 設定 5 電圧と電流量を加速 KV と 10 mA と電子ビームを生成します。低倍率で試料の全体像を表示します。画像を関心 (ROI) とフォーカスの領域を表示するステージを移動します。
      4. 拡大 50、000 X。毛穴に着目し、多孔体モルフォロジーの観察。適当な画像を観察すると、画像を保存します。
   2. 透過電子顕微鏡 (TEM) 測定
      1. 3.3.1 の手順の説明に従って TEM 測定前に断面の試験片を準備します。
      2. サンプル ホルダーに準備された標本を設定します。設定加速電圧 300 KV 電子ビームの生成と。TEM をホルダーに挿入します。
      3. 低倍率で試料の全体像を表示します。投資収益率を表示し、イメージに焦点を当てるステージに移動します。
      4. 250 に倍率を大きく 000 X。サンプルに焦点を当てるし、薄膜合成の多孔体モルフォロジーの観察 (~200 nm 厚)。適当な画像を観察すると、画像を保存します。
   3. 広角 x 線回折 (XRD)
      1. Cu k α のソース搭載 x 線回折装置を設定します。
      2. 試料ステージの中央にサンプルを置きます。
      3. Z 軸を調整 (すなわち。、高さ位置) のサンプルが入射 x 線の半分をブロック ステージ。Ω 軸を調整して、(すなわち。、放牧の角度) サンプル表面を x 線に平行になるように。
      4. 3.1.3.3 サンプル ステージ位置が最適になるまで、手順を繰り返します (すなわち。、試料表面は x 線と x 線に平行の中心)。
      5. 小さな角度を ω を修正 (e.g。、0.5 °)、2 θ をスキャンし、(すなわち。、検出器角度) 20 ° から 1 °/分の速度で 70 ° から測定したデータを保存。
         注: 着信 x 線は基板からバック グラウンド信号を抑制するには、合成の薄いフィルムの表面に非常に小さな放牧角度で照射しました。
2. 強誘電相の熱安定性試験
   1. ラマン顕微鏡とコンピューターの動作を有効にし、オペレーティング ソフトウェア LabSpec を開きます。マシンを調整する自動調整をクリックします。
   2. スライド ガラスは加熱ステージで設定し、ガラスに合成膜。ステージのカバーを閉じます。
   3. サンプルを加熱すると、15 ° C/分のランプ比を用いた暖房期。温度が目標温度に達するとき、この温度を維持し、数分待ってから暖房の段階を設定します。
      注: この研究では、我々 入選 RT、50、75、100、110、120、125、130、135、140、150 ° C およそ 130 ° c. のキュリー温度を持つバルク BTRT と 75、125、175、225、275、325、375、425、475、およびメソポーラス BT の薄いフィルム、キュリー温度が以前研究⁸約 470 ° C に行った 525 ° C の温度を選びました。
   4. 温度が安定、300 μ m 共穴と 532 nm のレーザーを用いて共焦点ラマン顕微鏡による種々 の温度におけるラマン スペクトルを測定 (10 mW のサンプルで) 励起。観測画像を表示し、イメージに焦点を当てるにあるビデオアイコンをクリックします。捕捉時間と蓄積を 100 に設定 s と 3、それぞれ、測定を開始するメジャーアイコンをクリック。測定後のデータを保存します。
   5. スペクトルが変化するまで測定を続ける (すなわち。、強誘電相に割り当て可能なピークが消える)。
      注: 3 つの点で測定を行ったし、得られたスペクトルの平均をとる。
3. ひずみの可視化
   1. 外周加工、下とマイクロ ブリッジ切断、および標本の間伐の集束イオンビームを用いたマイクロ サンプリング法による薄膜合成から断面の試験片を準備します。試験片の寸法は、長さは約 20 μ m、厚さ 4 μ m にする必要があります。
   2. 気孔率によって凹凸表面での高分解能透過電子顕微鏡 (TEM) 画像 (2,000, 000 X) を測定します。
   3. 高速フーリエ変換 (FFT) の領域 (512 × 512 ピクセル) を選択し、FFT のパターンを計算します。FFT パターンから格子間隔を推定、「変形比」を計算する歪み格子間隔で割ります。
   4. 32 ピクセル、FFT 解析領域をシフトし、3.3.3 の手順を繰り返します。(この研究は 5,664 × 5,664 ピクセル (162 × 162 点)) で HR TEM 像の領域全体が覆われるまでは、このプロセスを続けます。
      注: 無料の歪み格子間隔は少なくとも FFT 画像から推定しました。
   5. 歪みを可視化する計算される変形率に基づいて領域の色を設定します。変形率を数えることでヒストグラムを作る。
      注: ソフトウェア CryStMapp HR TEM 像で変形の解析を行った。
   6. Igor Pro ソフトウェアを使用して詳細なヒストグラムを作成します。
      注: ステップ 3.3.5 で得られた歪みのヒストグラムはラフ、Igor Pro ソフトウェアを使用して詳細なヒストグラムが作成されます。
      1. データを選択することによって変形比の数値データを読み込む |波を読み込む |負荷の一般的なテキストし、適切な名前を持つ波として保存します。
         注: Igor Pro は、波としての数値の配列を含むオブジェクトを定義します。
      2. データを選択することによってマトリックス (162 × 162) として保存されている波を変更 |変化の波のスケーリング。
      3. 画像を選択することによって 2 D イメージとして波を表示 |新しい |Prot の画像。
      4. 解析を選択 |パッケージ |画像処理画像メニューを表示します。
      5. イメージを選択 |投資収益率ROI パネルを表示します。投資収益率を選択する投資収益率を描画を開始を選択します。イメージ上の領域を描画し、終える投資収益率を選択します。
      6. ROI_M_Mask 波として解析のための領域を選択するマスクを作成するROI コピーを保存を選択します。
      7. 入力"ImageHistogram/R = M_ROIMASK/S waveneame"ヒストグラムを作成するコマンド ウィンドウのコマンド ・ ラインで。3.3.6.1 wavename のステップで設定した名前を使用します。
      8. ヒストグラムを表示するコマンド ウィンドウのコマンド ・ ラインでは、「W_ImageHist を表示」を入力します。必要な場合は、グラフを変更します。

結果

電子顕微鏡によって得られたメソポーラス BT 薄膜の形態を調べた。最上位のビューの SEM 画像合成 BT 薄膜 (図 2 a) の多孔質の特徴を確認しました。断面 TEM 像 (図 2 b) と深さ方向の形態学的特徴を調べた。直径数十ナノメートルの大きな結晶が垂直方向に積み上げ、これら結晶間の隙間が毛穴。BT 皮膜の推定の厚みは約 200 nm。

BT フレームワークの結晶は、広角 x 線回折測定により調べた。バコ₃と TiO₂の非常に弱いピークが検出され、顕著なピーク BT 結晶に割り当てること (図 3 a) を観測しました。ただし、(強誘電体) を区別することは困難だった正方晶と (誘電) キュービック相。両相の x 線回折パターンは非常に似ているためにです。主な違いは 2θでピーク = 45 ° 正方晶相のキュービック相を分割します。本研究では、フィルムの多結晶の性質がピーク幅を拡大するためこのような分割の検出が困難でした。したがって、薄膜の結晶相を明らかにするそのラマン スペクトルを測定した (図 3 b)。常温 720 cm^{− 1} ₁(に)、 B₁+E(TO + LO)、 E(TO) に割り当てられた、515、305 275 を中心としたピークを示した単一 BT バルク固体結晶のラマン スペクトル +A₁(に) とE(LO) +A₁(LO) 正方晶相⁹のモード。A₁(TO) モードの分割が発生したが BT の多孔質薄膜のスペクトル、スペクトルの主な機能は残されました。したがって、多孔質 BT 薄膜合成は正方晶だった。

高速フーリエ変換マッピング (FFTM) 法¹⁰によって薄膜の BT フレームワークのひずみの分布を調べた。このメソッドを分析し、高解像度 (HR) の FFT パターンの小さな歪みを可視化する-TEM 画像。図 4は、凸および凹面の表面で薄膜の分野の TEM 画像と対応する FFTM 画像を示しています。凸領域で [1-10] 方向の FFTM 画像は、最も外側の凸の表面少し増築し、格子緩和を引き起こす必要がありますと強誘電性を弱める配置を明らかにしました。逆に、表面のすぐ下の領域が圧縮され、フレームワークの中に完全圧縮領域が観察されました。この結果は表面を示す前のレポートに一貫したナノ粒子機能常誘電立方相 BT の内側のコアは強誘電正方晶相^11,12。BT の枠組みの中でいくつかの分野に広がってもで発見された、主にねじれや粒界 (図 4 c)。凹型の領域の最表面の変形は明確な観測だったが多くのため表面は枠内曲線、圧縮ではなく多角形 (図 4 d) を検出します。逆に、FFTM 画像、[11-1] 凸と凹の両方の分野の方向性が明白でない (図 4 e、 f)、この方向の BT ユニット セルの変形が少ないがあったことを示唆しています。

BT 格子の変形をより定量的に検討するには、変形の度合いは、ヒストグラム (図 5) にまとめました。これらのヒストグラムから、我々 は変形の測定として、ターゲットおよび参照領域に隣接する格子間隔の距離の比率として定義されている「変形比率」を決定しました。[11-1] 方向ヒストグラム 1.00 の変形率を中心とした、凸と凹の両方の領域にほぼ対称的であった。この結果は少し歪があったことを示して、[11-1] 方向、FFTM 上記の結果と一致します。逆に、[1-10] 方向のヒストグラムには、約 0.99 の変形率圧縮ひずみが BT 薄膜における増加のエリアを示すマーク ピークが含まれています。

(図 6) ラマン スペクトルの温度依存性から強誘電正方晶相の熱安定性を調べた。バルク BT 単結晶、305 と 720 cm^{− 1}で鋭いピークは 140 の ° c を一括 BT (~ 130 ° C) のT_cと一致している姿を消した。逆に、正方晶相から 710 cm^{− 1}のピークは、はるかに高い温度、合成多孔質薄膜 375 ° C までを検出にとどまっています。

図 1: 界面活性剤によるゾル-ゲル法の概略図。自己媒界面活性剤ミセルのテンプレートとして使用されました。テンプレート有機・無機ゾルを組み合わせることによって、有機/無機ハイブリッドが作成されます。最後に、有機のテンプレートを削除して無機のフレームワークを結晶化して毛穴を作成する焼成を行った。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: BT メソポーラス薄膜の電子顕微鏡のイメージ。(は) 最上位のビュー SEM および (b) 断面 TEM 像。この図は、鈴木、(名)らから変更されています。クリエイティブ ・ コモンズ (CC BY) ライセンスに従って¹³ 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3: 薄膜のメソポーラス BT の結晶相の分光データ。常温薄膜 (、) 広角 x 線回折パターンと合成多孔質 BT のラマン スペクトル (b)。バルク BT 単結晶のスペクトルは、参考のため含まれています。この図は、鈴木、(名)らから変更されています。クリエイティブ ・ コモンズ (CC BY) ライセンスに従って¹³ 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: 気孔率誘起歪の可視化します。(a、b)高分解能の TEM 像と (c f) 高速フーリエ変換 (FFTM) 画像を凸 (、c、e) と (b, d, f) 凹部 BT 薄膜をマッピングします。FFTM の方向の画像は (c, d) [1-10]、(e, f) [11-1]。FFTM 画像で緑と赤の領域は、圧縮および引張ひずみ、それぞれ適用されます、黄色を示します参照領域間の地域を表しています。解析に用いる向きは (左) 含まれています。この図は、鈴木、(名)らから変更されています。クリエイティブ ・ コモンズ (CC BY) ライセンスに従って¹³ 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5: 気孔率誘起歪の解析。歪み (a) 凸で分析のヒストグラム (図 4 a図 4 cと図 4e) 薄膜の多孔質の BT の (b) 凹面 (図 4 b図 4 d図 4 階) エリアと。この図は、鈴木、N. et al.から変更されている¹³ (CC BY) クリエイティブ ・ コモンズ ライセンスに従って。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 6: 強誘電相の熱安定性。薄膜単結晶育成 (、) 一括 BT と (b) 合成多孔質 BT のラマン スペクトルの温度依存性この図は、鈴木、(名)らから変更されています。¹³  (CC BY) クリエイティブ ・ コモンズ ライセンスに従って。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

ディスカッション

BT の多孔性の薄膜 (図 3 b) のラマン スペクトルにおけるA₁(TO) モードの分割圧縮ひずみに由来します。この機能は、FFTM メソッド (図 4) によって明らかに観察され、歪み (図 5) のヒストグラムから [1-10] 方向に異方性を求めた。[1-10] 方向の圧縮ひずみ BT¹で強誘電性を高める (001) 表面における二軸圧縮ひずみを誘導するような効果があります。多孔質駆動異方性ひずみ伸長cに向かって結晶格子-格子の中心からさらに Ti^{4 +}の転位を引き起こしている軸。この転位は、順番の鉄 (ピエゾ) 電力を高める電気双極子モーメントを増加する予定です。確かに、メソポーラス BT 膜の圧電性は、非多孔質フィルム⁸のより優れています。

BT 結晶格子によるひずみは、歪んだ正方晶相を安定させます。したがって、格子の熱的安定性が強化される見込みです。多孔質 BT 薄膜 (710 cm^{− 1}) に正方晶相原点ピークはなお 375 ° C まで目に見えるピークは次第に弱くより広範なを示した (図 6 b) のラマン スペクトルです。この傾向は、 T_cが 470 ° C⁸と推定した以前の研究で発見に似ていた。したがって、BT 薄膜の細孔駆動ひずみ効果的に熱安定化正方晶相の仮定を確認しました。

この研究を通しては、シンプルで安価な化学処理によって形成された間隙誘起歪では、ヘテロ界面の格子不整合由来のひずみのと類似の効果を明らかにしました。これらの調査結果は、歪みに新しい洞察力を提供します。

資料

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