Name: chemical synthesis of porous barium titanate thin film and thermal stabilization of ferroelectric phase by porosity-induced strain
Uploaded: 2018-03-27T14:30:00
Duration: 8 min
Description: Watch this Scientific Journal Video about Chemical Synthesis of Porous Barium Titanate Thin Film and Thermal Stabilization of Ferroelectric Phase by Porosity-Induced Strain at JoVE.com

N. S. blev økonomisk støttet af Japan-samfund til fremme af videnskab (JSP'ER) licensbetaling for videnskabelig forskning (KAKENHI) (Grant nr. 26810126). Y. Y. er taknemmelig for, at Deanship af videnskabelig forskning, King Saud University for grundlæggelsen gennem Vice Deanship af videnskabelig forskning stole.
Vidvinkel XRD målinger blev gennemført på Nano-behandlingsanlæg, understøttet af Innovation-styrke udstyr fælles (IBEC) Innovation Platform, National Institute for Advanced industriel videnskab og teknologi (AIST), Japan. Raman spectra måling og TEM observation af den porøse tynd film blev gennemført af HORIBA TECHNO SERVICE Co, Ltd og fundament til fremme af materiale videnskab og teknologi i Japan (MST), henholdsvis. MST har også gennemført visualisering af stamme fra TEM billeder. Vi takke Andrew Jackson, ph.d., fra Edanz gruppe (www.edanzediting.com/ac) til at redigere et udkast af dette manuskript.

1. forberedelse af forløber løsning
<ol><li>Opløses 50 mg af diblock copolymer PS(18000) -b-PEO(7500) i 1,5 mL af tetrahydrofuran ved 40 ° C. Cool polymer løsning til stuetemperatur (RT).</li>
	<li>127.7 mg af barium acetat i 830 µL af eddikesyre opløses ved omrøring ved 40 ° C i 5 min. Cool barium acetate løsning på RT. tilføje 170 mg af titanium butoxid barium acetat løsning og rør reaktionsblandingen til 1 min.</li>
	<li>Tilføje polymer løsning til barium acetat løsning dråbevis.</li>
</ol>2. Sammenfatning af mesoporøse Barium Titanate tynde Film
<ol><li>Indstille Si/SiOx/Ti/Pt substrat (2 cm × 2 cm) på scenen i en spin-coater og slip den forberedte forløber løsning helt dække underlaget. Bemærk: Filmtykkelse SiOx, Ti og Pt lag var ca 1,6, 40 og 150 nm, henholdsvis.</li>
	<li>Spin Si/SiOx/Ti/Pt underlaget på 500 rpm i 5 s (1. trin), og derefter 3000 rpm for 30 s (2. trin), successivt.</li>
	<li>Sted som forberedt filmen på en varm tallerken og varme det til 120 ° C i 5 min til aldring, så lad det køle til stuetemperatur (RT) naturligvis.</li>
	<li>Placer udglødet filmen i en muffelovn og kalcineret i luften ved 800 ° C i 10 min med en rampe på 1 ° C/min. (til både opvarmning og køling).</li>
</ol>3. karakterisering
<ol><li>Morfologiske og krystallografiske karakterisering
	<ol>
<li>
Scanning elektronmikroskopi (SEM) måling
		<ol>
<li>Sæt prøven på prøve scenen og dækker hjørner med carbon bånd kan lave prøven. Justere højden på prøveholderen.</li>
			<li>Indstille prøveholderen i en loading stang og indsætte det til positionen SEM. prøveholderen i udgangspositionen i en arbejdende afstand af 8 mm.</li>
			<li>Indstille fremskynde spænding og udslip aktuelle til 5 KV og 10 mA og generere en elektronstråle. Vise hele billedet i eksemplet på lav forstørrelse. Flyt scenen for at vise en region af interesse (ROI) og fokus på billedet.</li>
			<li>Øge forstørrelsen til 50, 000 X. Fokusere på porerne og observere de porøse morfologi. Når et passende billede er observeret, Gem et billede.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Transmissions Elektron Mikroskopi (TEM) måling
		<ol>
<li>Forberede en tværsnits model før TEM måling, som beskrevet i trin 3.3.1.</li>
			<li>Sæt forberedt modellen i prøveholderen. Indstille fremskynde spænding til 300 KV og generere en elektronstråle. Indsæt holderen til TEM.</li>
			<li>Vise hele billedet i eksemplet på lav forstørrelse. Flyt scenen for at vise ROI og fokusere på billedet.</li>
			<li>Øge forstørrelsen til 250 000 X. Fokusere på prøve og observere den syntetiserede tyndfilm porøse morfologi (~200 nm i tykkelse). Når et passende billede er observeret, Gem et billede.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Vidvinkel røntgen diffraktion (XRD) måling
		<ol>
<li>Opsætning af X-ray diffractometer udstyret med en Cu Kα kilde.</li>
			<li>Sæt prøven på midten af den prøve fase.</li>
			<li>Juster z-aksen (dvs., højde position) af den fase, hvori prøven blokerer halvdelen af hændelse X-ray. Derefter justere ω-akse (dvs., græssende vinkel) at gøre prøveoverfladen parallelt med X-ray.</li>
			<li>Gentag trin 3.1.3.3 indtil prøven fase holdning bliver egnet (dvs., prøveoverfladen er beliggende i centrum af X-ray stråle og parallelt med X-ray).</li>
			<li>Fix ω til en lille vinkel (fx., 0,5 °), og derefter scanne 2θ (dvs., detektor vinkel) fra 20 ° til 70 ° med en hastighed på 1 ° / min. Gem data efter måling. Bemærk: For at undertrykke baggrund signalet fra underlaget, indgående x-stråler blev bestrålet i en meget lille græssende vinkel at den syntetiserede tyndfilm overflade.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Test for termisk stabilitet af ferroelectric fase
	<ol>
<li>Tænde Raman mikroskop og drift computeren, og Åbn derefter den driver software LabSpec. Klik på Automatisk kalibrering for at kalibrere maskinen.</li>
		<li>Sat et glas dias på en varme fase, og derefter sætte den syntetiserede film på glasset. Luk dækslet til af scenen.</li>
		<li>Prøven opvarmes med en varme scene ved hjælp af en rampe forholdet mellem 15 ° C/min. Når temperaturen når mål temperaturen, sætte varme scenen til at holde denne temperatur og vent et par minutter. Bemærk: I denne undersøgelse, vi valgt RT og 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140 og 150 ° C for bulk-BT, som har en Curie temperatur på ca. 130 ° C. Vi valgte temperaturer RT og 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 og 525 ° C for mesoporøse BT tynde film, som Curie-temperaturen var vurderet til at være omkring 470 ° C fra en tidligere undersøgelse8.</li>
		<li>Efter temperaturen stabiliserer, måle Raman spectra ved forskellige temperaturer med en Konfokal Raman mikroskop ved hjælp af en 300 µm Konfokal hul og en 532-nm laser (10 mW på prøve) for excitation. Klik på Video -ikonet for at vise den observerede billede, og derefter fokusere på billedet. Indstille erhvervelse og ophobninger til 100 s og 3, henholdsvis, og klik derefter på foranstaltning ikonet for at starte målingen. Gemme data efter måling.</li>
		<li>Fortsætte målingerne indtil spektrum ændringer (dvs., toppene overdrages til den ferroelectric fase forsvinder). Bemærk: Målinger blev gennemført på tre punkter og opnåede spektrene var i gennemsnit.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualisering af stammen
	<ol>
<li>Forberede en tværsnits model fra den syntetiserede tynde film af en mikro prøveudtagningsmetode ved hjælp af en fokuseret ion stråle for perifere fræsning, bunden og mikro-broen opskæring og udtynding af modellen. Den model størrelse skal være ca 20 µm i længden og 4 µm i tykkelse.</li>
		<li>Måle høj opløsning transmission elektronmikroskopi (HR-TEM) billeder (2.000, 000 X) på konvekse og konkave flader induceret af porøsitet.</li>
		<li>Vælg et område (512 × 512 pixel) for hurtig Fouriertransformation (FFT), og beregne FFT mønster. Anslå gitter afstanden fra FFT mønster, og dividere det med stamme-fri gitter afstanden til at beregne "deformation ratio".</li>
		<li>Skift regionen FFT analyse af 32 pixels, og Gentag trin 3.3.3. Fortsæt denne proces indtil hele området af HR-TEM-billedet er dækket (i denne undersøgelse, 5,664 × 5,664 pixel (162 × 162 point)). Bemærk: Stamme-fri gitter afstanden blev anslået fra den mindste forvrænget FFT billede.</li>
		<li>Angive farven på regioner baseret på det beregnede deformation forhold at visualisere stammen. Gøre histogrammer ved at tælle deformation forholdet. Bemærk: Analyse af deformationen i HR-TEM billeder blev udført med software CryStMapp.</li>
		<li>
Oprette et detaljeret histogram ved hjælp af software Igor Pro Bemærk: Da histogrammet af forvrængning opnåede i trin 3.3.5 er ru, lavet en detaljeret histogram ved hjælp af software Igor Pro.<ol>
<li>Indlæse den numeriske data af deformation forholdet ved at vælge Data | Indlæse bølger | Belastning General tekst og gemme den som en bølge med rette navn. Bemærk: Igor Pro definerer objektet herunder en numerisk array som en bølge.</li>
			<li>Ændre den gemte bølge som en matrix (162 × 162) ved at vælge Data | Ændre bølge skalering.</li>
			<li>Vise en bølge som 2D billede ved at vælge billede | Nye | Billede Prot.</li>
			<li>Vælg analyse | Pakker | Billedbehandling at vise billede -menuen.</li>
			<li>Vælg billede | ROI at vise ROI panel. Vælg Start ROI tegne at vælge ROI. Tegne regionen oven på et billede, og vælg derefter Finish ROI.</li>
			<li>Vælg Gem ROI kopi til at oprette masken for at vælge område for analyse som ROI_M_Mask bølge.</li>
			<li>Input "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" i kommandolinjen i kommandovinduet for at gøre et histogram. Bruge navnet angivet i trin 3.3.6.1 i wavename.</li>
			<li>Input "Vis W_ImageHist" i kommandolinjen i kommandovinduet til at vise et histogram. Ændre grafen, hvis nødvendigt.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
	<li>Choi, K. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+Ferroelectricity+in+Strained+BaTiO3+Thin+Films.">Enhancement of Ferroelectricity in Strained BaTiO3 Thin Films.</a> Science. 306 (5698), 1005-1009 (2004).</li><li>Nagarajan, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Misfit+dislocation+in+nanoscale+ferroelectric+heterostructures.">Misfit dislocation in nanoscale ferroelectric heterostructures.</a> Appl. Phys. Lett. 86 (19), 192910 (2005).</li><li>Wimbush, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacial+Strain-Induced+Oxygen+Disorder+as+the+Cause+of+Enhanced+Critical+Current+Density+in+Superconducting+Thin+Films.">Interfacial Strain-Induced Oxygen Disorder as the Cause of Enhanced Critical Current Density in Superconducting Thin Films.</a> Adv. Funct. Mater. 19 (6), 835-841 (2009).</li><li>Harrington, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thick+lead-free+ferroelectric+films+with+high+Curie+temperatures+through+nanocomposite-induced+strain.">Thick lead-free ferroelectric films with high Curie temperatures through nanocomposite-induced strain.</a> Nat. Nanotechnol. 6 (8), 491-495 (2011).</li><li>Suzuki, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+Highly+Strained+Mesostructured+SrTiO3/BaTiO3+Composite+Films+with+Robust+Ferroelectricity.">Synthesis of Highly Strained Mesostructured SrTiO3/BaTiO3 Composite Films with Robust Ferroelectricity.</a> Chem. -Eur. J. 19 (14), 4446-4450 (2014).</li><li>Kresge, C. T., Leonowicz, M. E., Roth, W. J., Vartuli, J. C., Beck, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ordered+mesoporous+molecular+sieves+synthesized+by+a+liquid-crystal+template+mechanism.">Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism.</a> Nature. 359 (6397), 710-712 (1992).</li><li>Yang, P., Zhao, D., Margolese, D. I., Chmelka, B. F., Stucky, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generalized+syntheses+of+large-pore+mesoporous+metal+oxides+with+semicrystalline+frameworks.">Generalized syntheses of large-pore mesoporous metal oxides with semicrystalline frameworks.</a> Nature. 396 (6707), 152-155 (1998).</li><li>Suzuki, N., Jiang, X., Salunkhe, R. R., Osada, M., Yamauchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+Preparation+of+Ferroelectric+Mesoporous+Barium+Titanate+Thin+Films:+Drastic+Enhancement+of+Curie+Temperature+Induced+by+Mesopore-Drived+Strain.">Chemical Preparation of Ferroelectric Mesoporous Barium Titanate Thin Films: Drastic Enhancement of Curie Temperature Induced by Mesopore-Drived Strain.</a> Chem. -Eur. J. 20 (36), 11283-11286 (2014).</li><li>Tenne, D. A., Xi, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+Spectroscopy+of+Ferroelectric+Thin+Films+and+Superlattices.">Raman Spectroscopy of Ferroelectric Thin Films and Superlattices.</a> J. Am. Ceram. Soc. 91 (6), 1820-1834 (2008).</li><li>Ide, T., Sakai, A., Shimizu, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanometer-Scale+Imaging+of+Lattice+Deformation+with+Transmission+Electron+Micrograph.">Nanometer-Scale Imaging of Lattice Deformation with Transmission Electron Micrograph.</a> Jpn. J. Appl. Phys., Part 2. 37 (12B), L1546-L1548 (1998).</li><li>Hoshina, T., Wada, S., Kuroiwa, Y., Tsurumi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Composite+structure+and+size+effect+of+barium+titanate+nanoparticles.">Composite structure and size effect of barium titanate nanoparticles.</a> Appl. Phys. Lett. 93 (19), 192914 (2008).</li><li>Feng, C., Zhou, D. X., Gong, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Core-shell+structure+and+size+effect+in+barium+titanate+nanoparticle.">Core-shell structure and size effect in barium titanate nanoparticle.</a> Phys. B. 406 (6-7), 1317-1322 (2011).</li><li>Suzuki, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origin+of+thermally+stable+ferroelectricity+in+a+porous+barium+titanium+thin+film+synthesized+through+block+copolymer+templateing.">Origin of thermally stable ferroelectricity in a porous barium titanium thin film synthesized through block copolymer templateing.</a> APL Mater. 5 (7), 076111 (2017).</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Opdelingen af A1(at) tilstanden i Raman spektret af en porøs BT tynd film (figur 3b) stammer fra trykstyrke stamme. Denne funktion blev tydeligt observeret af metoden FFTM (figur 4) og dens anisotropy i retningen [1-10] blev bestemt ud fra histogrammet af forvrængning (figur 5). Trykstyrke stamme langs [1-10] retning har en lignende effekt af inducerende biaksiale trykstyrke stamme i det (001) overflade, hvilket forbedrer ferroelectricity i BT1. Porøse drevet anisotrope stamme elongates krystalgitter mod c-akse, forårsager yderligere dislokation af Ti4 + fra midten af gitter. Dette dislokation forventes at stige til elektrisk dipolmoment, hvilket igen øger sin ferro (piezo) elektricitet. En film fra mesoporøse BT piezoelektrisk er faktisk bedre end en ikke-porøs film8.
Stammen induceret i BT krystalgitter stabiliserer den forvrængede tetragonal fase. Således, den termiske stabilitet af gitter forventes at blive forbedret. Raman spektret af porøse BT tynd filmen viste tetragonal fase oprindelse peak (på 710 cm1) forblev synlig indtil 375 ° C, selvom toppen blev gradvist svagere og bredere (fig. 6b). Denne tendens svarede til, findes i en tidligere undersøgelse, hvori Tc blev anslået til at være 470 ° C8. Dermed, vi bekræftet den antagelse, at de pore-drevet stamme i BT tyndfilm effektivt termisk stabiliseret den tetragonale fase.
Gennem denne undersøgelse præciserede vi, at pore-induceret stamme dannet af en enkel og billig kemiske procedure har en lignende virkning af stamme på en hetero-interface stammer fra lattice uoverensstemmelse. Disse resultater giver roman indsigt i stamme engineering.

Barium titanate (BaTiO3, herefter BT) er en typisk perovskite-type ferroelectric materiale. Selv om sine ferroelectric egenskaber blev opdaget i 1940 ' erne, er det stadig almindeligt anvendt i dag på grund af dens afbalancerede ferroelectric og piezoelektriske svar og gunstige dielektricitetskonstant. Desuden, fordi BT er en bly-fri, miljøvenlig materiale, det har tiltrukket stor interesse som erstatning for bly zirconate titanate (PZT). Ved stuetemperatur, crystal fase af BT er tetragonal, hvor forholdet mellem c og en gittermaster parametre (c/en) er ikke lig med 1. I fasen tetragonal BT gitter er lidt aflange mod c-akse og kationer (Ba2 +, Ti4 +) og anioner (O2−) er fordrevet i modsatte retninger. Denne forskydning resulterer i den spontane polarisering af BT., når temperaturen stiger til Curie temperatur (Tc), en fase overgang til den kubiske fase opstår. I den kubiske fase af BT, der har c/en = 1, gitter forvrængning er afslappet, og dens ferroelectricity er tabt på grund af den elektriske neutralitet med oprindelse fra inversion symmetri af gitter. For nylig, brugen af høj temperatur ferroelectric materialer har udvidet. Tc af BT er dog relativt lavt (~130 ° C) og bulk BT ikke opfylder disse krav.
For at øge Tc af BT, er den ferroelectric (tetragonal) fase blevet stabiliseret ved anvendelse af pres på hetero-interface. For eksempel forbedret Choi et al. ferroelectricity af BT film epitaxially dyrkes på GdScO3 (110) og DyScO3 (110) substrater ved hjælp af biaksiale trykstyrke stamme forårsaget af gitter uoverensstemmelse mellem1. Stigningen i Tc er dog begrænset til meget tynde film (snese nanometer tyk)2,3, hvilket er upraktisk for enheden applikationer.
For at øge BT filmtykkelse samtidig forhindre stamme afslapning, er superlattice (periodiske struktur af meget tynde lag) og tredimensionale (3D) hetero-nanostrukturer blevet udviklet. Harrington et al. syntetiseret en lodret mesostructure BT og Sm2O3 og opnået en mikrometer-skala-bestilt tyk film uden stamme afslapning. I dette eksempel er spontane polarisering orienteret vinkelret på underlaget som følge af enakset udvidelse af BT enhed celle; således, en stor rest polarisering blev opretholdt ved høj temperatur (dvs., Tc var større end 800 ° C)4. De opnåede egenskaber var tilfredsstillende; en kompliceret og dyrt fysiske proces (pulserende laser deposition) var imidlertid påkrævet for fabrikation, hvilket er en ulempe for praktiske anvendelser.
Som en alternativ letkøbt og billig fabrikationsproces, har vi foreslået den kemiske syntese af 3D nanocomposites ved indførelse af en forløber løsning af BT i porerne i en porøs strontium titanate (SrTiO3, herefter ST) tynd film5 . I undersøgelsen, den porøse ST tynd film blev syntetiseret af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor den samlesæt af amphipathic overfladeaktive micelles blev brugt som en organisk skabelon6,7. Metoden er vist skematisk i figur 1. Fordi de opnåede ST tynd film har en kompleks 3D porøs struktur med et stort overfladeareal, stamme på BT/ST hetero-interface er indført i nanocomposite, fører til en stabilisering af den ferroelectric fase af BT ( Tc St / BT nanocomposite nået 230 ° C).
Vi en hypotese der porøsitet kunne direkte indføre stamme i BT og øge den termiske stabilitet af ferroelectric egenskaber. I denne undersøgelse brugte vi et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode at fabrikere porøse BT og granske de pore-induceret stamme. Derudover sammenlignede vi den termiske stabilitet mellem porøse BT og nonporous bulk BT. fandt vi at de indførte porer induceret en anisotrope stamme, som aflange BT krystalgitter. Denne virkning kan være gunstige for stabilisere den ferroelectric fase. Fordi syntese processen bruges her er meget simpel, har det fordele i forhold til konventionelle fysiske processer for 3D hetero-nanostrukturer.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Diblock Copolymer PS(18000)-b-PEO(7500)</td>
			<td>Polymer Source, Inc.</td>
			<td>#8399-SEO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetic acid (37 wt.%)</td>
			<td>Wako</td>
			<td>017-00256</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran</td>
			<td>Wako</td>
			<td>204-08745</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Barium acetate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>243671-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium(IV) butoxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>244112-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reference bulk BT single crystal</td>
			<td>Crystal Base Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Balance</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot stirrer</td>
			<td>IKA</td>
			<td>RCT basic</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>Active</td>
			<td>ACT-300DII</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td>As one</td>
			<td>ND-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Muffle Furnace</td>
			<td>Yamato Scientific Co., Ltd.</td>
			<td>FO series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscopy</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td>SU-8000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission electron microscopy</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td>H-9000NAR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wide-angle X-ray diffraction</td>
			<td>Rigaku</td>
			<td>RINT-Ultima III</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raman microscope</td>
			<td>Horiba</td>
			<td>XploRA Plus</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

chemical synthesis of porous barium titanate thin film and thermal stabilization of ferroelectric phase by porosity-induced strain

Barium titanate (BaTiO3, herefter BT) er en etableret ferroelectric materiale først opdaget i 1940 ' erne og stadig meget udbredt på grund af dens afbalancerede ferroelectricity, piezoelektrisk og dielektricitetskonstant. Derudover indeholder BT ikke nogen giftige elementer. Det fastslås derfor, at være en øko-venligt materiale, som har tiltrukket betydelig interesse som erstatning for bly zirconate titanate (PZT). Men hovedparten BT mister sin ferroelectricity på ca. 130 ° C, således, det kan ikke bruges ved høje temperaturer. På grund af den stigende efterspørgsel efter høj-temperatur ferroelectric materialer, det er vigtigt at øge den termiske stabilitet af ferroelectricity i BT. i tidligere undersøgelser, stamme fra lattice uoverensstemmelse på hetero-grænseflader er blevet brugt. Prøveforberedelse i denne tilgang kræver imidlertid komplicerede og dyre fysiske processer, som er uønskede i praktiske anvendelser.
I denne undersøgelse foreslår vi en kemisk syntese af et porøst materiale som et alternativt middel til at indføre stamme. Vi syntetiseret en porøs BT tynd film ved hjælp af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor selvsamlede amphipathic overfladeaktivt stof micelles blev brugt som en organisk skabelon. Gennem en række undersøgelser præciseret vi, at indførelsen af porer havde en lignende effekt på fordrejning af krystalgitter BT end en hetero-interface, fører til forbedring og stabilisering af ferroelectricity. På grund af sin enkelhed og omkostninger effektivitet har denne fabrikationsproces betydelige fordele i forhold til konventionelle metoder.

Morfologi af opnåede mesoporøse BT tynd film blev undersøgt ved elektronmikroskopi. En top-se SEM billede bekræftet de porøse funktioner af den syntetiserede BT tynd folie (figur 2a). De morfologiske træk i retningen dybde blev undersøgt med en tværsnits TEM billede (figur 2b). Store crystallites med diametre af flere snese nanometer lodret stablet, og forskellene mellem disse crystallites blev porer. Den anslåede tykkelse af BT tynd film var ca 200 nm.
Crystallinity af rammerne for BT blev undersøgt af vidvinkel XRD målinger. Meget svage toppe af BaCO3 og TiO2 var påviselige og prominente toppe overdrages til BT krystaller blev tydeligt observeret (figur 3a). Men det var svært at skelne mellem (ferroelectric) tetragonal og (paraelectric) cubic faser. Dette er fordi XRD mønstrene af begge faser er helt ens. Den væsentligste forskel er, at peak på 2θ = 45 ° til den kubiske fase deles til den tetragonale fase. I denne undersøgelse var påvisning af sådanne opdeling vanskeligt fordi polykrystallinske arten af filmen udvidet Topbredden. Således, for at præcisere krystal fasen af den tynde film, dens Raman spektrum blev målt (figur 3b). Raman spektret af en bulk enkelt BT krystal ved stuetemperatur viste toppe centreret på 275, 305, 515 og 720 cm1, som blev tildelt A1(til), B1+E(til + LO), E(TO) +A 1 (Til), og E(LO) +A1(LO) former for tetragonal fase9. I spektret af de porøse BT tynde film, selv om opdeling af A1(at) tilstand opstod, blev de vigtigste funktioner af spektret bevaret. Den syntetiserede porøse BT tynd film var således tetragonal.
Den geografiske fordeling af stamme i BT rammerne af den tynde film blev undersøgt af den hurtige Fourier transform kortlægning (FFTM) metode10. Denne metode analyserer og visualiserer lille forvridninger i FFT mønstre af høj opløsning (HR)-TEM billeder. Figur 4 viser HR-TEM billeder af områder af tyndfilm med konvekse og konkave flader og de tilsvarende FFTM billeder. FFTM billede af [1-10] retning i en konveks område afslørede, at den yderste konvekse overflade var lidt udvidet, en ordning, som bør medføre gitter afslapning og svækker ferroelectricity. Omvendt områder lige under overfladen blev komprimeret, og de komprimerede områder blev observeret helt inde for rammerne. Dette resultat er i overensstemmelse med tidligere rapporter, der angiver overfladen af BT nanopartikler har en paraelectric cubic fase, mens den inderste kerne er en ferroelectric tetragonal fase11,12. Inden BT blev nogle udvidede områder også fundet, hovedsagelig på kinks og/eller korn grænser (fig. 4 c). Konkave områder, selv om deformation af den yderste overflade ikke var klart observeret, sandsynligvis fordi overfladen var polygonal snarere end buet, komprimering inden for rammerne var opdaget (figur 4 d). Omvendt, FFTM billeder af den [11 - 1] retning i både konvekse og konkave områder var uklart (figur 4e, f), hvilket tyder på, at der var lidt deformation af BT enhed celle i denne retning.
For at undersøge deformationen af BT gitter mere kvantitativt, sammenfattet graden af deformation i histogrammer (figur 5). Fra disse histogrammer besluttet vi "deformation ratio", der defineres som forholdet mellem afstanden mellem tilstødende gitter afstand i områderne mål og reference som en foranstaltning af deformation. I den [11 - 1] retning, histogrammer var centreret i forholdet deformation af 1,00 og var næsten symmetrisk for både konvekse og konkave områder. Dette resultat angiver, at der var lille stamme i det [11 - 1] retning, i overensstemmelse med resultaterne af FFTM nævnt ovenfor. Omvendt indeholdt histogrammer for retningen [1-10] markant toppe i deformation forholdet ca 0,99, viser området hvor trykstyrke stamme steg i BT tynd film.
Den termiske stabilitet af ferroelectric tetragonal fase blev undersøgt temperatur afhængighed af dets Raman spektrum (figur 6). I en bulk BT enkelt krystal forsvandt de skarpe toppe på 305 og 720 cm1 ved 140 ° C, hvilket er i overensstemmelse med Tc af bulk BT (~ 130 ° C). Omvendt, peak på 710 cm1 fra den tetragonale fase forblev ved langt højere temperaturer, påviselige op til 375 ° C for den syntetiserede porøse tynd film.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figur 1: skematisk billede af overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode. Samlesæt blev af amphipathic overfladeaktivt stof micelles brugt som en skabelon. Ved at kombinere den økologiske-skabelon og uorganiske sol, oprettes en organisk/uorganiske hybrid. Endelig, kalcinering blev udført for at skabe porer ved at fjerne skabelonen økologisk og krystalliserede det uorganiske ramme. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figur 2: elektronmikroskop billede af mesoporøse BT tyndfilm. (en) Top-se SEM og (b) tværsnits TEM billede. Dette tal er blevet ændret fra Suzuki, N. fl. 13 i henhold til licensen Creative Commons Attribution (CC af). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figur 3: spektroskopiske data for crystal fase af mesoporøse BT tynd film. (en) vidvinkel XRD mønster og (b) Raman spektrum af den syntetiserede porøse BT tynde film ved stuetemperatur. Spektrum af en bulk BT enkelt krystal er også inkluderet for reference. Dette tal er blevet ændret fra Suzuki, N. fl. 13 i henhold til licensen Creative Commons Attribution (CC af). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figur 4: visualisering af porøsitet-induceret stamme. (a, b) Høj opløsning TEM billeder og (c-f) hurtig Fourier omdanne kortlægning (FFTM) billeder (en, c, e) konvekse og (b, d, f) konkave områder af BT tynd film. Retningslinjerne fra FFTM billeder er (c, d) [1-10] og (e, f) [11-1]. I FFTM billederne repræsenterer grønne og røde områder områder hvor trykstyrke og trækstyrke stamme anvendes, henholdsvis, mens gul angiver området reference. Orienteringen forbrugt til analysen er også inkluderet (til venstre). Dette tal er blevet ændret fra Suzuki, N. fl. 13 i henhold til licensen Creative Commons Attribution (CC af). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figur 5: analyse af porøsitet-induceret stamme. Histogram af forvrængning analyseres i a konvekse (figur 4a, figur 4 c, og figur 4e) og (b) konkave (figur 4b, figur 4 d, figur 4f) områder af den porøse BT tynd film. Dette tal er blevet ændret fra Suzuki, N. et al.13 i overensstemmelse med licensen Creative Commons Attribution (CC af). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figur 6: termisk stabilitet af ferroelectric fase. Temperatur afhængighed af Raman spektrum af (en) en bulk BT enkelt krystal og (b) en syntetiseret porøse BT tynd film. Dette tal er blevet ændret fra Suzuki, N. fl. 13  i overensstemmelse med licensen Creative Commons Attribution (CC af). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Chemical Synthesis of Porous Barium Titanate Thin Film and Thermal Stabilization of Ferroelectric Phase by Porosity-Induced Strain at JoVE.com

Chemical Synthesis of Porous Barium Titanate Thin Film and Thermal Stabilization of Ferroelectric Phase by Porosity-Induced Strain

Vi præsenterer her, en protokol til syntese af porøse barium titanate (BaTiO3) tynde film af et overfladeaktivt stof-assisteret sol-gel metode, hvor selvsamlede amphipathic overfladeaktivt stof micelles bruges som en økologisk skabelon.

Kemisk syntese af porøse Barium Titanate tynd Film og termisk stabilisering af Ferroelectric fase af porøsitet-induceret stamme

Barium titanate (BaTiO3, hereafter BT) is an established ferroelectric material first discovered in the 1940s and still widely used because of its ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

Synthesis and Purification of Iodoaziridines Involving Quantitative Selection of the Optimal Stationary Phase for Chromatography

Syntese og oprensning af Iodoaziridines Inddragelse kvantitativ udvælgelse af det optimale stationære fase til kromatografi

The highly diastereoselective preparation of cis-N-Ts-iodoaziridines through reaction of diiodomethyllithium with N-Ts aldimines is described. ...

Preparation of Highly Porous Coordination Polymer Coatings on Macroporous Polymer Monoliths for Enhanced Enrichment of Phosphopeptides

Udarbejdelse af meget porøse Koordinering Polymer Belægninger på Makroporøse Polymer Monoliths for styrkede Berigelse af phosphopeptider

We describe a protocol for the preparation of hybrid materials based on highly porous coordination polymer coatings on the internal surface of macroporous ...

Highly Stereoselective Synthesis of 1,6-Ketoesters Mediated by Ionic Liquids: A Three-component Reaction Enabling Rapid Access to a New Class of Low Molecular Weight Gelators

Meget Stereoselektiv Syntese af 1,6-Ketoestere medieret af ioniske væsker: en tre-komponent Reaktion Aktivering hurtig adgang til en ny klasse af lavmolekylære Gelators

In organic chemistry ionic liquids (ILs) have emerged as safe and recyclable reaction solvents. In the presence of a base ILs can be deprotonated to form ...

Synthesis and Reaction Chemistry of Nanosize Monosodium Titanate

Syntese og Reaktion kemi nanostørrelse Mononatrium titanat

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the ...

Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids

Syntese og karakterisering af supramolekylære Colloids

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical ...

Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition

Epitaksial dyrkning af Perovskite strontiumtitanat på Germanium via Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and ...

Synthesis and Evaluation of a Ruthenium-based Mitochondrial Calcium Uptake Inhibitor

Sammenfatning og evaluering af en Ruthenium-baserede mitokondrie Calcium Uptake hæmmer

We detail the synthesis and purification of a mitochondrial calcium uptake inhibitor, [(OH2)(NH3)4Ru(&#181;-O)Ru(NH3)4(OH2)]5+. The optimized synthesis of ...

Solid-phase Synthesis of [4.4] Spirocyclic Oximes

Fast-fase syntese af [4.4] Spirocyclic Oximes

A convenient synthetic route for spirocyclic heterocycles is well sought after due to the molecule&#39;s potential use in biological systems. By means of ...

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

Elektrokemisk Skruening af tynde film platin makro og Mikroelektroder

This protocol demonstrates a method for electrochemical roughening of thin-film platinum electrodes without preferential dissolution at grain boundaries ...

Iron Nanowire Fabrication by Nano-Porous Anodized Aluminum and its Characterization

Jern Nanowire fabrikation af Nano-porøs anodiseret aluminium og dens karakterisering

Magnetic nanowires possess unique properties that have attracted the interest of different fields of research, including basic physics, biomedicine, and ...