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. 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.

1. bereiding van de oplossing van de voorloper
<ol><li>Los 50 mg diblock copolymeren PS(18000) -b-PEO(7500) in 1,5 mL tetrahydrofuraan op 40 ° C. Koel de polymeeroplossing op kamertemperatuur (RT).</li>
	<li>Los 127.7 mg barium acetaat in 830 µL van azijnzuur door roeren bij 40 ° C gedurende 5 min. Cool de barium acetaat oplossing voor RT. toevoegen 170 mg titanium butoxide aan de oplossing van bariumchloride acetaat en roer het reactiemengsel voor 1 min.</li>
	<li>Voeg de polymeeroplossing aan de oplossing van bariumchloride acetaat ontkleuring.</li>
</ol>2. synthese van Mesoporous-Barium Titanate dunne Film
<ol><li>Het Si/SiOx/Ti/Pt substraat (2 cm × 2 cm) ingesteld op het podium van een spin-coater en neerzetten van de voorloper van bereide oplossing volledig betrekking hebben op het substraat. Opmerking: De laagdikte van SiOxTi en Pt lagen waren ongeveer 1.6, 40 en 150 nm, respectievelijk.</li>
	<li>Draai het Si/SiOx/Ti/Pt substraat op 500 rpm voor 5 s (1e stap), en dan 3000 rpm voor 30 s (2e stap), achtereenvolgens.</li>
	<li>Plaats de film als voorbereid op een hete plaat en verwarm het tot 120 ° C gedurende 5 minuten voor veroudering, dan laat het afkoelen tot kamertemperatuur (RT) natuurlijk.</li>
	<li>Breng de ontharde film in een moffeloven oven en roostgoed in lucht bij 800 ° C gedurende 10 minuten met een oprit tarief van 1 ° C/min. (voor zowel verwarming en koeling).</li>
</ol>3. karakterisering
<ol><li>Morfologische en kristallografische karakterisatie
	<ol>
<li>
Scanning elektronen microscopie (SEM) meting
		<ol>
<li>Zetten van het monster in het werkgebied van de steekproef en de hoeken met koolstof tapes vast van het monster te dekken. De hoogte van de monsterhouder aangepast.</li>
			<li>Instellen van de monsterhouder in een staaf laden en voeg het naar de positie van SEM. de monsterhouder in de home positie op een afstand van 8 mm.</li>
			<li>Ingesteld spanning en emissie huidige versnelling naar 5 KV en 10 mA en genereren een elektronenstraal. De hele afbeelding van het monster bij lage vergroting weergeven. Verplaats het podium om te laten zien van een regio van belang (ROI) en de focus op de afbeelding.</li>
			<li>Het zoompercentage op 50, 000 X. Focus op de poriën en observeren van de poreuze morfologie. Wanneer een geschikte afbeelding wordt waargenomen, een afbeelding opslaan.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Transmissie Electronenmicroscopie (TEM) meting
		<ol>
<li>Bereiden een transversale specimen voorafgaand aan de meting TEM zoals beschreven in stap 3.3.1.</li>
			<li>Stel het bereid model, in de monsterhouder. Ingesteld spanning versnellen tot 300 KV en een elektronenbundel te genereren. Plaats de houder aan de TEM.</li>
			<li>De hele afbeelding van het monster bij lage vergroting weergeven. Het werkgebied ROI Toon en zich richten op de afbeelding te verplaatsen.</li>
			<li>Het zoompercentage op 250, 000 X. Focus op het monster en observeren van de poreuze morfologie van de gesynthetiseerde dunne film (~200 nm in dikte). Wanneer een geschikte afbeelding wordt waargenomen, een afbeelding opslaan.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Groothoek röntgendiffractie (XRD) meting
		<ol>
<li>De diffractometer van de X-ray uitgerust met een Cu Kα bron instellen.</li>
			<li>Zet het monster op het midden van het podium van het monster.</li>
			<li>Aanpassen van de z-as (dwz., hoogte positie) van de fase waarin het monster de helft van incident X-ray blokkeert. Vervolgens passen de ω-as (dwz., grazende hoek) om het monster oppervlak evenwijdig aan de x-stralen.</li>
			<li>Herhaal stap 3.1.3.3 totdat het monster fase positie geschikt wordt (dwz., het monster oppervlak is gelegen in het centrum van X-ray lichtbundel en evenwijdig aan de x-stralen).</li>
			<li>Fix ω een kleine hoek (bv., 0.5 °), en vervolgens scannen 2θ (dwz., detector hoek) van 20 ° tot 70 ° met een snelheid van 1 ° / min. slaan de gegevens na de meting. Opmerking: Om te onderdrukken het signaal van de achtergrond van het substraat, binnenkomende x-stralen waren bestraald in een zeer kleine grazende hoek aan de gesynthetiseerde dunne film oppervlakte.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Test voor de thermische stabiliteit van ferroelektrische fase
	<ol>
<li>Schakel de Raman-Microscoop en de operationele computer, en open vervolgens de besturingssysteemsoftware LabSpec. Klik op Automatische kalibratie om te kalibreren van de machine.</li>
		<li>Instellen van een glasplaatje op een podium Verwarming, en zet dan de gesynthetiseerde film op het glas. Sluit het klepje van het werkgebied.</li>
		<li>Verwarm het monster met een etappe van de verwarming met behulp van de verhouding van een helling van 15 ° C/min. Wanneer de temperatuur de temperatuur van de doelstelling bereikt, vormde het decor van de verwarming te houden deze temperatuur en wacht een paar minuten. Opmerking: In deze studie, we geselecteerd RT en 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140, en 150 ° C voor de bulk-BT, die een temperatuur van de Curie van ongeveer 130 ° C. heeft We temperaturen van RT en 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 en 525 ° C voor de mesoporous BT dunne film, waarvoor de Curie temperatuur werd geëvalueerd om ongeveer 470 ° C van een eerdere studie8geselecteerd.</li>
		<li>Nadat de temperatuur stabiliseert, Raman spectra bij verschillende temperaturen te meten met een Confocale Raman Microscoop met behulp van een 300-µm confocal gat en een laser 532 nm (10 mW op monster) voor excitatie. Klik op het pictogram Video het waargenomen beeld, en dan richten op de afbeelding. Acquisitietijd en ophopingen ingesteld op 100 s en 3, respectievelijk, en klik op pictogram van de maatregel om te beginnen met de meting. Sla de gegevens na de meting.</li>
		<li>De metingen blijven totdat de spectrum verandert (dwz., de toppen toewijsbaar aan de ferroelektrische fase verdwijnt). Opmerking: Metingen werden uitgevoerd op drie punten en de verkregen spectra waren gemiddeld.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualisatie van de stam
	<ol>
<li>Bereid een transversale specimen uit de gesynthetiseerde dunne film door een micro-sampling-methode met behulp van een gerichte ion beam voor perifere frezen, onderkant en micro-brug knippen en dunner worden van het model. De grootte van het model moet ongeveer 20 µm lang en 4 µm in dikte.</li>
		<li>Meet high-resolution Transmissie Electronenmicroscopie (HR-TEM) beelden (2.000, 000 X) bij convex en concaaf oppervlakken geïnduceerd door de poreusheid.</li>
		<li>Selecteer een gebied (512 × 512 pixels) voor snelle Fouriertransformatie (FFT) en berekenen de FFT-patroon. Schatten van de afstand van de rooster uit de FFT-patroon, en het delen door de afstand van de stam-vrije rooster voor de berekening van het "vervorming verhouding".</li>
		<li>De FFT analyse regio bij 32 pixels verschuiven, en herhaalt u stap 3.3.3. Herhaal deze procedure totdat het hele gebied van de HR-TEM afbeelding wordt bestreken (in deze studie 5,664 5,664 × pixel (162 × 162 punten)). Opmerking: De afstand van de stam-vrije rooster werd geschat uit de minste vertekend beeld van de FFT.</li>
		<li>De kleur van de regio's op basis van de verhouding van de berekende vervorming te visualiseren de stam instellen. De histogrammen maken door het tellen van de verhouding tussen de vervorming. Opmerking: Analyse van de vervorming in HR-TEM beelden werd uitgevoerd met de software CryStMapp.</li>
		<li>
Maak een gedetailleerde histogram using naar de software Igor Pro Opmerking: Omdat het histogram van de vervorming in stap 3.3.5 verkregen ruw is, een gedetailleerde histogram using naar de software Igor Pro is gemaakt.<ol>
<li>Laden van de numerieke gegevens van de verhouding tussen de vervorming door het selecteren van gegevens | Laden van golven | Belasting algemene tekst en sla het op als een Golf met eigennaam. Opmerking: Igor Pro definieert de object met inbegrip van een numerieke matrix als een golf.</li>
			<li>De opgeslagen Golf als een matrix (162 × 162) wijzigen door het selecteren van gegevens | Verandering Wave schalen.</li>
			<li>Een golf als 2D-afbeelding weergeven door te selecteren afbeelding | Nieuw | Beeld Prot.</li>
			<li>Selecteer Analysis | Pakketten | Beeldbewerking afbeelding menu weergeven.</li>
			<li>Selecteer afbeelding | ROI aan ROI paneel weergeven. Selecteer Start ROI tekenen te selecteren van de ROI. Tekenen van de regio op de top van een afbeelding en selecteer vervolgens Voltooien ROI.</li>
			<li>Selecteer ROI kopie opslaan om het masker om te selecteren van het gebied voor analyse als ROI_M_Mask Golf te maken.</li>
			<li>Input "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" in de opdrachtregel van het opdrachtvenster te maken van een histogram. Gebruik de namen die zijn ingesteld in stap 3.3.6.1 in wavename.</li>
			<li>Ingang "Toon W_ImageHist" op de opdrachtregel van het opdrachtvenster te tonen van een histogram. Wijzig de grafiek, indien nodig.</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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

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.

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 en 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.

<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, 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.

De morfologie van de verkregen mesoporous BT dunne film werd onderzocht door elektronenmicroscopie. Een bovenaanzicht SEM-beeld bevestigd de poreuze eigenschappen van de gesynthetiseerde BT dunne film (Figuur 2a). De morfologische kenmerken in de richting van de diepte werden onderzocht met een transversale TEM beeld (Figuur 2b). Grote kristalaggregaten met een diameter van enkele tientallen nanometer verticaal gestapeld, en de kloof tussen deze kristalaggregaten waren poriën. De geschatte dikte van de dunne film van BT was ongeveer 200 nm.
De kristalliniteit van het BT-kader werd onderzocht door groothoek XRD metingen. Zeer zwak pieken van BaCO3 en TiO2 waren detecteerbare en prominente pieken toewijsbaar aan BT kristallen werden duidelijk waargenomen (Figuur 3a). Het was echter moeilijk te onderscheiden tussen de (ferroelektrische) tetragonale en kubieke fasen (paraelectric). Dit is omdat de XRD patronen van beide fasen vrij gelijkaardig zijn. Het belangrijkste verschil is dat de piek op 2θ = 45 ° voor de kubieke fase is verdeeld voor de tetragonale fase. In deze studie was de detectie van een dergelijke splitsing moeilijk omdat de polykristallijne aard van de film de piekbreedte verbreed. Dus, om te verduidelijken van de crystal-fase van de dunne film, het spectrum Raman werd gemeten (Figuur 3b). Het spectrum van de Raman van een bulk enkele BT kristal bij kamertemperatuur toonde pieken gecentreerd op 275, 305, 515 en 720 cm−1, die werden toegewezen aan A1(TO), B1+E(aan + LO), E(TO) +A 1 (TO), en E(LO) +A1(LO) modi van de tetragonale fase9. In het spectrum van de poreuze BT dunne film, hoewel de splitsing van de A-stand1(TO) is opgetreden, werden de belangrijkste kenmerken van het spectrum gehandhaafd. Zo was de gesynthetiseerde poreuze BT dunne film tetragonale.
De ruimtelijke spreiding van de stam in het kader van BT van de dunne film werd onderzocht door de snelle methode Fourier transform toewijzing (FFTM)-10. Deze methode analyseert en visualiseert kleine verstoringen in de FFT patronen van hoge resolutie (HR)-TEM beelden. Figuur 4 toont HR-TEM beelden van gebieden van de dunne film met convex en concaaf oppervlakken en de bijbehorende beelden van de FFTM. Het FFTM-imago van de [1-10] richting een convexe gebied bleek dat de buitenste convex oppervlak werd enigszins worden uitgebreid, een regeling die moet leiden tot lattice ontspanning en ferroelectricity verzwakt. Omgekeerd, het gebied net onder het oppervlak zijn gecomprimeerd en het gecomprimeerde gebieden werden waargenomen geheel binnen het kader. Dit resultaat is in overeenstemming met eerdere rapporten die aangeven van het oppervlak van BT nanodeeltjes zijn voorzien van een paraelectric kubieke fase, terwijl de binnenste kern een ferroelektrische tetragonale fase11,12 is. In het kader van BT, werden sommige uitgebreide gebieden ook gevonden, voornamelijk op knikken en/of graan grenzen (Figuur 4 c). Voor holle gebieden, hoewel de vervorming van de buitenste oppervlak niet duidelijk waargenomen was, waarschijnlijk omdat het oppervlak veelhoekige in plaats van gebogen, compressie in het kader was was aangetroffen (Figuur 4 d). Omgekeerd, de beelden van de FFTM van de [11 - 1] richting in zowel de convexe en concave gebieden waren onduidelijk (figuur 4e, f), wat suggereert dat er weinig vervorming van de BT eenheidscel in deze richting was.
Om te onderzoeken de vervorming van het lattice BT meer kwantitatief, was de mate van vervorming samengevat in histogrammen (Figuur 5). Uit deze histogrammen vastbesloten wij het "vervorming verhouding", die is gedefinieerd als de verhouding van de afstand tussen aangrenzende lattice afstand in de doelgroep en referentie gebieden, als een maatregel van vervorming. In de [11 - 1] richting, de histogrammen waren gecentreerd op een verhouding van de vervorming van 1,00 en waren bijna symmetrisch voor zowel convex en concaaf gebieden. Dit resultaat geeft aan dat er weinig spanning in de [11 - 1] richting, overeen met de resultaten van bovengenoemde FFTM. Omgekeerd, bevatte de histogrammen voor de [1-10] richting pieken van de gemarkeerde bij een verhouding van de vervorming van ongeveer 0.99, tonen het gebied waar de druksterkte stam in de dunne film van BT toegenomen.
De thermische stabiliteit van de ferroelektrische tetragonale fase werd onderzocht van de temperatuursafhankelijkheid van de Raman spectrum (Figuur 6). In een bulk BT één kristal verdween de scherpe pieken bij 305 en 720 cm−1 bij 140 ° C, die met de Tc van bulk BT (~ 130 ° C strookt). Daarentegen bleef de piek op 710 cm−1 uit de tetragonale fase bij veel hogere temperaturen, aantoonbaar omhoog tot 375 ° C voor de gesynthetiseerde poreuze dunne film.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figuur 1: Schematische afbeelding van oppervlakteactieve stof-bijgewoonde sol-gel methode. Zelf-assemblage werd van amphipathic oppervlakteactieve stof micellen gebruikt als een sjabloon. Door het combineren van de organische-template en anorganische sol, wordt een organisch/anorganisch hybride gemaakt. Ten slotte, calcinatie werd uitgevoerd om de poriën te maken door het verwijderen van de organische sjabloon en kristalliseren van het anorganische kader. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figuur 2: electronisch microscopisch beeld van mesoporous BT dunne film. (een) bovenaanzicht SEM en (b) transversale TEM beeld. Dit cijfer is gewijzigd vanaf Suzuki, N. e.a. 13 volgens de licentie Creative Commons Naamsvermelding (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figuur 3: spectroscopische gegevens voor de crystal fase van mesoporous BT dunne film. (een) groothoek XRD patroon en (b) Raman spectrum van de gesynthetiseerde poreuze BT dunne film bij kamertemperatuur. Het spectrum van een bulk BT één kristal is ook opgenomen ter referentie. Dit cijfer is gewijzigd vanaf Suzuki, N. e.a. 13 volgens de licentie Creative Commons Naamsvermelding (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figuur 4: visualisatie van porositeit-geïnduceerde spanning. (a, b) Hoge resolutie beelden van de TEM en (c-f) snelle Fourier transform (FFTM) afbeeldingen van (a, c, e) convex en concaaf gebieden van (b, d, f) van de dunne films van BT toewijzen. De oriëntaties van de FFTM afbeeldingen zijn (c, d) [1-10] en (e, f) [11-1]. In de FFTM beelden, groene en rode aangeduid regio's waar druksterkte en treksterkte stam worden toegepast, respectievelijk, terwijl geel geeft het referentie-gebied. De afdrukstand die is gebruikt bij de analyse wordt ook meegeleverd (links). Dit cijfer is gewijzigd vanaf Suzuki, N. e.a. 13 volgens de licentie Creative Commons Naamsvermelding (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figuur 5: analyse van de porositeit-geïnduceerde spanning. Histogram van vervorming geanalyseerd in (a) convex (figuur 4a, Figuur 4 c, en figuur 4e) en (b) de concaaf (figuur 4b, Figuur 4 d, figuur 4f) gebieden van de poreuze BT dunne film. Dit cijfer is gewijzigd vanaf Suzuki, N. et al.13 volgens de licentie Creative Commons Naamsvermelding (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figuur 6: thermische stabiliteit van ferroelektrische fase. Temperatuursafhankelijkheid van de Raman spectrum van (een) een bulk BT één crystal en (b) een gesynthetiseerde poreuze BT dunne film. Dit cijfer is gewijzigd vanaf Suzuki, N. e.a. 13  volgens de licentie Creative Commons Naamsvermelding (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</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

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.

Chemische synthese van poreuze Barium Titanate dunne Film en thermische stabilisatie van ferroelektrische fase door porositeit-geïnduceerde stam

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

Synthese en zuivering van Iodoaziridines betrekken Kwantitatieve Selectie van de optimale stationaire fase voor chromatografie

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

Voorbereiding van de zeer poreuze Coordination Polymer Coatings op Macroporeuze Polymer Monoliths voor Enhanced Verrijking van fosfopeptiden

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

Zeer Stereoselectieve Synthese van 1,6-ketoesters gemedieerd door ionische vloeistoffen: Een drie-componenten reactie Enabling snelle toegang tot een nieuwe klasse met een laag molecuulgewicht 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

Synthese en Reaction Chemistry of nanosize Monosodium Titanate

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

Synthese en karakterisering van Supramoleculaire colloïden

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

Epitaxiaal Groei van Perovskite Strontiumtitanaat op 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

Synthese en evaluatie van een Ruthenium gebaseerde mitochondriale Calcium opname Inhibitor

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

Solid-phase synthese van [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

Elektrochemische ruwen van dun-film platina macro en micro-elektroden

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

Ijzer-Nanodraad fabricage door nano-poreus geanodiseerd aluminium en de karakterisering ervan

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