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. a été soutenue financièrement par la société japonaise pour la Promotion of Science (JSPS) subvention pour la recherche scientifique (KAKENHI) (Grant no 26810126). Y. Y. est reconnaissante envers le Décanat de la recherche scientifique, Université du Roi Saoud pour avoir fondé par Vice Décanat des chaires de recherche scientifique.
Grand angle XRD analyses ont été réalisées au centre de Nano-traitement, pris en charge par le stimulent l’Innovation matériel commun (IBEC) Innovation Platform, Institut National pour Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japon. Mesure de spectres Raman et TEM observation de la couche mince poreuse a été réalisée par HORIBA TECHNO SERVICE Co., Ltd. et la Fondation pour la Promotion de la Science des matériaux et technologie du Japon (MST), respectivement. MST a également mené la visualisation de la souche à partir d’images TEM. Nous remercions Andrew Jackson, Ph.d., du groupe Edanz (www.edanzediting.com/ac) pour l’édition d’un projet de ce manuscrit.

1. préparation de la Solution de précurseur
<ol><li>Dissoudre 50 mg de dibloc copolymère PS(18000) -b-PEO(7500) dans 1,5 mL de tétrahydrofurane à 40 ° C. Laisser refroidir à température ambiante (RT), la solution de polymère.</li>
	<li>127,7 mg d’acétate de baryum en 830 µL d’acide acétique pour dissoudre en agitant, à 40 ° C pendant 5 min. refroidir la solution d’acétate de baryum à RT. ajouter 170 mg de butoxyde de titane à la solution d’acétate de baryum et remuez le mélange réactionnel pendant 1 min.</li>
	<li>Ajouter goutte à goutte la solution de polymère à la solution d’acétate de baryum.</li>
</ol>2. synthèse du Titanate de baryum mésoporeux minces
<ol><li>Définissez le substrat de /Ti/PtxTR/SiO (2 × 2 cm) sur la scène d’un spin-coater et déposez la solution précurseur préparés pour couvrir entièrement le substrat. NOTE : Le film d’une épaisseur de SiOx, Ti et Pt couches étaient environ 1,6, 40 et 150 nm, respectivement.</li>
	<li>Tourner lexTR/SiO/Ti/Pt substrat à 500 tr/min pendant 5 s (1ère étape) et puis 3 000 tr/min pendant 30 s (2e étape), successivement.</li>
	<li>Placez le film comme préparés sur une plaque de cuisson et chauffer à 120 ° C pendant 5 min pour le vieillissement, puis laissez-le refroidir à température ambiante (RT) naturellement.</li>
	<li>Placez le film recuit dans un four à moufle et calcine dans l’air à 800 ° C pendant 10 min avec une vitesse de montée de 1 ° C/min (pour le chauffage et refroidissement).</li>
</ol>3. caractérisation
<ol><li>Caractérisation morphologique et cristallographique
	<ol>
<li>
Scanning electron microscopy (SEM) mesure
		<ol>
<li>Mettre l’échantillon sur la scène de l’échantillon et couvrir les coins avec des bandes de carbone pour fixer l’échantillon. Régler la hauteur du porte-échantillon.</li>
			<li>Définir le porte-échantillon dans une tige de chargement et l’insérer dans la Position SEM. le porte-échantillon dans la position de départ à une distance de travail de 8 mm.</li>
			<li>Définir l’accélération de tension et émission actuelle à 5 KV et 10 mA et générer un faisceau d’électrons. Afficher toute l’image de l’échantillon à faible grossissement. Déplacer l’étape pour montrer une région d’intérêt (ROI) et de se concentrer sur l’image.</li>
			<li>Augmenter le grossissement de 50, 000 X. Mettre l’accent sur les pores et d’observer la morphologie poreuse. Quand on observe une image convenable, enregistrer une image.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Mesure de transmission electron microscopy (TEM)
		<ol>
<li>Préparer un échantillon transversal avant la mesure de TEM comme indiqué au point 3.3.1.</li>
			<li>La valeur de l’échantillon préparé dans le porte-échantillon. Régler la tension d’accélération à 300 KV et générer un faisceau d’électrons. Insérez le support de la TEM.</li>
			<li>Afficher toute l’image de l’échantillon à faible grossissement. Déplacer la scène pour montrer le ROI et se concentrer sur l’image.</li>
			<li>Augmenter le grossissement à 250, 000 X. Mettre l’accent sur l’échantillon et d’observer la morphologie poreuse de la couche mince synthétisée (~200 nm d’épaisseur). Quand on observe une image convenable, enregistrer une image.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Mesure d’angle diffraction des rayons x (DRX)
		<ol>
<li>Mettre en place le diffractomètre de rayons x, équipé d’une source de Cu Kα.</li>
			<li>Mettre l’échantillon sur le centre de la scène de l’échantillon.</li>
			<li>Ajuster l’axe z (i.e., position en hauteur) de la scène dans laquelle l’échantillon bloque la moitié de l’incident aux rayons x. Ensuite, réglez l’axe ω (i.e., angle de pâturage) pour rendre la surface de l’échantillon parallèle à la radiographie.</li>
			<li>Répétez l’étape 3.1.3.3 jusqu'à ce que la position d’allure échantillon devienne convenable (i.e., la surface de l’échantillon se trouve au centre du faisceau de rayons x et parallèle à la radiographie).</li>
			<li>Difficulté ω à un petit angle (e.g., 0,5 °), puis analyser 2θ (i.e., angle de détecteur) de 20 ° à 70 ° avec un taux de 1 ° / min. sauvegarder les données après la mesure. Remarque : Pour supprimer le signal de fond du substrat, radiographies entrants irradiées chez un très petit angle de pâturage à la surface du film mince synthétisées.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Tester la stabilité thermique de la phase ferroélectrique
	<ol>
<li>Allumez le microscope Raman et l’ordinateur d’exploitation et ouvrez le logiciel d’exploitation LabSpec. Cliquez sur Auto Calibration pour calibrer la machine.</li>
		<li>La valeur d’une lame de verre sur une phase de chauffage et puis mettre le film synthétisé sur le verre. Fermer le couvercle de la scène.</li>
		<li>Chauffer l’échantillon avec une phase de chauffage à l’aide d’un ratio de rampe de 15 ° C/min. Lorsque la température atteint la température de la cible, la valeur de la phase de chauffage à garder cette température et attendre quelques minutes. Remarque : Dans cette étude, nous avons sélectionné des RT et 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140 et 150 ° C pour le BT en vrac, qui a une température de Curie d’environ 130 ° C. Nous avons sélectionné des températures de RT et 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 et 525 ° C pour le film mince mésoporeux de BT, pour lesquels la température de Curie a été évaluée à environ 470 ° C d’une précédente étude8.</li>
		<li>Après que la température se stabilise, mesurer les spectres Raman à différentes températures avec un microscope Raman confocal utilisant un trou confocal 300 µm et un laser de 532 nm (10 mW à échantillon) pour l’excitation. Cliquez sur l’icône vidéo pour afficher l’image observée et ensuite se concentrer sur l’image. La valeur temps de l’acquisition et les accumulations 100 s et 3, respectivement, puis cliquez sur lancer la mesure mesure icône. Enregistrer les données après la mesure.</li>
		<li>Continuer les mesures jusqu'à ce que les modifications du spectre (i.e., les pics assignables à la phase ferroélectrique disparaît). Remarque : Les analyses ont été réalisées à trois points et les spectres obtenus étaient en moyenne.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualisation de la souche
	<ol>
<li>Préparer un échantillon transversal de la couche mince synthétisée par une méthode d’échantillonnage à l’aide d’un faisceau ionique focalisé pour fraisage périphérique, bas et micro-pont de coupe et amincissement du spécimen. Taille de l’échantillon doit être environ 20 µm de longueur et de 4 µm d’épaisseur.</li>
		<li>Mesure la transmission haute résolution (HR-TEM) images de microscopie électronique (2 000, 000 X) à induite par la porosité des surfaces convexes et concaves.</li>
		<li>Sélectionner une zone (512 × 512 pixels) pour la transformation de Fourier rapide (FFT) et calculer le modèle de la FFT. Estimer l’espacement du réseau du modèle de la FFT et diviser par l’espacement du réseau exempt de souche pour calculer le ratio « déformation ».</li>
		<li>Déplacez la région d’analyse FFT en 32 pixels et répétez l’étape 3.3.3. Continuez ce processus jusqu'à ce que toute la zone de l’image de HR-TEM est couvert (dans cette étude, 5 664 × 5 664 pixels (162 × 162 points)). Remarque : L’espacement du réseau exempt de souche a été évaluée l’image moins déformée de la FFT.</li>
		<li>Définir la couleur des régions basé sur le rapport de la déformation calculée pour visualiser la souche. Faire les histogrammes en comptant le taux de déformation. Remarque : Analyse de la déformation dans les images de HR-TEM a été réalisée avec le logiciel CryStMapp.</li>
		<li>
Créer un histogramme détaillé en utilisant le logiciel Igor Pro Remarque : Étant donné que l’histogramme de la distorsion obtenue à l’étape 3.3.5 est rugueuse, un histogramme détaillé en utilisant le logiciel Igor Pro est créé.<ol>
<li>Charger les données numériques du ratio déformation en sélectionnant données | Charger des vagues | Texte de charge générale et enregistrez-le sous une vague avec nom propre. NOTE : Igor Pro définit l’objet, y compris un tableau numérique comme une vague.</li>
			<li>Changer l’onde enregistrée comme une matrice (162 × 162) en sélectionnant données | Changement d’échelle vague.</li>
			<li>Afficher une vague comme image 2D en sélectionnant Image | Nouveau | Image de Prot.</li>
			<li>Sélectionnez l’analyse du | Packages | Traitement d’images pour afficher le menu d’Image .</li>
			<li>Sélectionnez Image | ROI pour afficher le panneau de retour sur investissement. Sélectionnez Démarrer ROI dessiner pour sélectionner le ROI. Dessiner la région sur une image et sélectionnez Terminer ROI.</li>
			<li>Sélectionnez Enregistrer la copie de ROI pour créer le masque pour sélectionner la zone d’analyse comme la vague ROI_M_Mask.</li>
			<li>Entrée « ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame"dans la ligne de commande de la fenêtre de commande pour faire un histogramme. Utiliser le nom défini à l’étape 3.3.6.1 dans wavename.</li>
			<li>Entrée « afficher W_ImageHist » dans la ligne de commande de la fenêtre de commande pour afficher un histogramme. Modifier le graphique, si besoin est.</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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le dédoublement de la mode1(TO) Adans le spectre Raman d’un mince film de poreux BT (Figure 3 b) provient de la déformation compressive. Cette fonctionnalité a été clairement observée par la méthode FFTM (Figure 4) et son anisotropie dans la direction de [1-10] a été déterminée à partir de l’histogramme de distorsion (Figure 5). Contrainte de compression le long de la direction de [1-10] a le même effet d’induire une souche compression biaxiale dans la surface (001), qui améliore la ferroélectricité BT1. Souche anisotrope entraînée poreuse s’allonge le réseau cristallin vers le c-axe, occasionne un autre dislocation de Ti4 + depuis le centre du réseau. Cette luxation est censée augmenter le moment dipolaire électrique, qui à son tour améliore son électricité ferro (piezo). En effet, la piézoélectricité d’un film de BT mésoporeux est supérieure à celle d’un film non poreux8.
La souche induite dans le réseau cristallin de BT stabilise la phase tétragonale déformée. Par conséquent, la stabilité thermique du réseau devrait être amélioré. Le spectre Raman de la BT mince film poreux a montré que le pic d’origine phase tétragonale (à 710 cm−1) reste visible jusqu'à 375 ° C, même si le pic est progressivement devenue plus faibles et plus large (Figure 6 b). Cette tendance a été similaire à celui trouvé dans une étude antérieure, dans laquelle le Tc a été estimée à 470 ° C8. Ainsi, nous avons confirmé l’hypothèse que la souche axée sur les pores dans le film mince de BT efficacement thermiquement stabilisée la phase tétragonale.
Grâce à cette étude, nous a précisé que la souche induite par le pore formée par un procédé chimique simple et peu coûteuse a un effet similaire à celui de la souche à un hétéro-interface provenaient de la disparité de trellis. Ces résultats fournissent de nouveaux aperçus de génie de la souche.

Titanate de baryum (BaTiO3ci-après BT) est un matériau ferroélectrique typique de type perovskite. Bien que ses propriétés ferroélectriques ont été découverts dans les années 1940, il est encore largement utilisé aujourd'hui en raison de ses réponses bien équilibrés de ferroélectriques et piézoélectriques et favorable de constante diélectrique. En outre, parce que BT est un matériau sans plomb, respectueuse de l’environnement, il a suscité un grand intérêt en remplacement de lead zirconate titanate (PZT). À température ambiante, la phase cristalline de BT est tétragonale, où le rapport entre c et un treillis paramètres (c/a) n’est pas égal à 1. Dans la phase tétragonale, le réseau BT est légèrement allongé vers le c-axe et de cations (Ba2 +, Ti4 +) et d’anions (O2−) sont déplacées dans des directions opposées. Ce résultats de déplacement dans la polarisation spontanée de BT. quand la température augmente à la température de Curie (Tc), se produit une transition de phase à la phase cubique. Dans la phase cubique de BT, qui a c/a = 1, la déformation du treillis est détendue, et ses ferroélectricité est perdue en raison de la neutralité électrique provenant de l’inversion de symétrie du réseau. Récemment, l’utilisation des matériaux ferroélectriques haute température a élargi. Cependant, le Tc de BT est relativement faible (~130 ° C) et BT en vrac ne répond pas à ces exigences.
Pour augmenter la Tc de BT, la phase ferroélectrique (tétragonale) a été stabilisée par l’application de la souche à l’hétéro-interface. Par exemple, Choi et al. amélioré la ferroélectricité de BT films epitaxially cultivés sur GdScO3 (110) et DyScO3 (110) substrats grâce à l’utilisation de la souche de compression biaxiale causée par treillis inadéquation1. Toutefois, l’augmentation de la Tc est limitée aux couches très minces (des dizaines de nanomètres épais)2,3, qui n’est pas pratique pour les applications smart device.
Pour augmenter l’épaisseur du film BT tout en empêchant la souche relaxation, superréseaux (structure périodique des couches très minces) et en trois dimensions (3D) hétéro-nanostructures ont été développés. Harrington et coll. synthétisé un mésostructure vertical de BT et Sm2O3 et obtenu un film épais ordonnée micromètre-échelle sans relaxation de contrainte. Dans cet exemple, la polarisation spontanée est orientée perpendiculairement au substrat en raison de l’expansion uniaxiale de la cellule BT ; ainsi, une polarisation grand vestige a été maintenue à température élevée (i.e., la Tc était supérieure à 800 ° C)4. Les propriétés obtenues ont été satisfaisantes ; Toutefois, un processus physique complexe et coûteux (laser pulsé deposition) était nécessaire pour la fabrication, qui est un inconvénient pour les applications pratiques.
Comme un processus alternatif de fabrication facile et peu coûteux, nous avons proposé la synthèse chimique des nanocomposites 3D par l’introduction d’une solution de précurseur de BT dans les pores d’un film mince de strontium poreux titanate (SrTiO3, au-delà ST)5 . Dans l’étude, la couche mince ST poreuse a été synthétisée par un procédé sol-gel agent tensio-actif-assisté, dans lequel l’auto-assemblage de surfactant amphipathic micelles a été utilisé comme un modèle organique6,7. La méthode est illustrée schématiquement à la Figure 1. Parce que la couche mince ST obtenue a une structure poreuse 3D complexe avec une grande surface, souche à l’hétéro de BT/ST-interface est introduite dans les nanocomposites, menant à la stabilisation de la phase ferroélectrique de BT (le Tc de ST / BT nanocomposite atteint 230 ° C).
Nous avons émis l’hypothèse que la porosité pourrait directement introduire la souche en BT et améliorent la stabilité thermique des propriétés ferroélectriques. Dans cette étude, nous avons utilisé une méthode assistée par surfactant sol-gel pour fabriquer poreux BT et scruter la souche induite par le pore. En outre, nous avons comparé la stabilité thermique entre BT poreuse et non poreuses en vrac BT, nous avons constaté que les pores introduites provoquée par une souche anisotrope, qui s’allongent le réseau cristallin de BT. Cet effet peut être favorable pour stabiliser la phase ferroélectrique. Parce que le processus de synthèse utilisé ici est très simple, il a des avantages par rapport aux procédés physiques classiques pour hétéro-nanostructures 3D.

<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

Titanate de baryum (BaTiO3ci-après BT) est un matériau ferroélectrique établi tout d’abord découvert dans les années 1940 et encore largement utilisé en raison de son bien équilibrée ferroélectricité, piézoélectricité et constante diélectrique. En outre, BT ne contient-elle pas d’éléments toxiques. Par conséquent, elle est réputée être un matériau respectueux de l’environnement, qui a suscité un intérêt considérable en remplacement de lead zirconate titanate (PZT). Cependant, en vrac BT perd son ferroélectricité à environ 130 ° C, ainsi, il ne peut pas être utilisé à des températures élevées. En raison de la demande croissante de matériaux ferroélectriques haute température, il est important d’augmenter la stabilité thermique de la ferroélectricité dans BT. dans les études précédentes, provenant de la disparité de trellis hétéro-interfaces de la souche a été utilisée. La préparation de l’échantillon dans cette approche exige toutefois des processus physiques complexes et coûteux, qui sont déconseillés pour les applications pratiques.
Dans cette étude, nous vous proposons une synthèse chimique d’un matériau poreux comme un autre moyen de l’introduction de la souche. Nous avons synthétisé un film mince de poreux BT en utilisant une méthode assistée par surfactant sol-gel, dans lequel amphipathic auto-assemblés surfactant micelles ont été utilisés comme un modèle biologique. Grâce à une série d’études, nous a précisé que l’introduction des pores a eu un effet similaire sur la déformation du cristallin de BT, à celle d’une hétéro-interface, conduisant à l’amélioration et la stabilisation de la ferroélectricité. En raison de sa simplicité et la rentabilité, ce processus de fabrication a des avantages considérables par rapport aux méthodes conventionnelles.

La morphologie de la couche mince de BT mésoporeux obtenue a été examinée au microscope électronique. Une image de SEM vue de dessus a confirmé les caractéristiques poreux du film mince BT synthétisé (Figure 2 a). Les caractéristiques morphologiques dans la direction de profondeur ont été étudiés avec une image transversale de TEM (Figure 2 b). Les cristallites grands avec un diamètre de quelques dizaines de nanomètres étaient empilées verticalement et les écarts entre ces cristallites pores. L’épaisseur estimée de la couche mince BT était d’environ 200 nm.
La cristallinité du cadre BT a été étudiée par des mesures de DRX grand-angle. Des pics très faibles de BaCO3 et TiO2 étaient détectables et des pics importants attribuables aux cristaux de BT ont été clairement observés (Figure 3 a). Cependant, il était difficile de distinguer entre le (ferroélectrique) tétragonale et phases cubiques (paraélectrique). C’est parce que les patrons XRD des deux phases sont assez semblables. La principale différence est que le sommet à 2θ = 45 ° pour la phase cubique est divisée pour la phase tétragonale. Dans cette étude, la détection de fractionnement était difficile parce que la nature polycristalline du film élargi la largeur du pic. Ainsi, afin de préciser la phase cristalline de la couche mince, son spectre Raman a été mesurée (Figure 3 b). Le spectre Raman d’un monocristal en vrac de BT à la température ambiante pics centrée à 275, 305, 515 et 720 cm−1, qui ont été assignés à A1(TO), B1+E(TO + LO), E(a) +A 1 (TO) et E(LO) + modes1(LO)Ade la phase tétragonale9. Dans le spectre de la couche mince BT poreux, bien que le fractionnement de la mode1(TO) Aeu lieu, les principales caractéristiques du spectre ont été retenus. Ainsi, la synthèse poreux BT couche mince était tétragonale.
La distribution spatiale de la souche dans le cadre de la BT de la couche mince a été examinée par le fast Fourier transform cartographie (FFTM) méthode10. Cette méthode analyse et visualise les distorsions minuscules des patrons de FFT de haute résolution (HR)-images TEM. La figure 4 représente HR-TEM images de zones de la couche mince avec des surfaces convexes et concaves et la FFTM correspondante. L’image FFTM de la direction de [1-10] dans une zone convexe a révélé que la surface convexe ultrapériphérique a été légèrement élargi, un arrangement qui devrait provoquer la relaxation réseau et affaiblit la ferroélectricité. À l’inverse, les zones juste sous la surface ont été compressés, et les zones comprimées ont été observés entièrement à l’intérieur du cadre. Ce résultat est conforme aux précédents rapports indiquant la surface de BT nanoparticules sont une phase cubique paraélectrique, tandis que le noyau intérieur est une phase tétragonale ferroélectrique11,12. Dans le cadre de BT, certaines zones élargies se retrouvent également, principalement aux pliures ou des joints de grain (Figure 4C). Pour les zones concaves, bien que la déformation de la surface extérieur n’a pas été clairement observée, probablement parce que la surface était polygonale plutôt que courbée, compression dans le cadre a été détectée (Figure 4D). À l’inverse, les images FFTM de la [11 - 1] la direction dans les zones convexes et concaves étaient peu claires (Figure 4e, f), ce qui suggère qu’il y avait peu de déformation de la maille unitaire de BT en ce sens.
Pour examiner la déformation du réseau BT plus quantitativement, le degré de déformation a été résumé en histogrammes (Figure 5). De ces histogrammes, nous avons déterminé le « ratio de déformation », qui est défini comme le rapport de la distance entre l’espacement du réseau adjacentes dans les zones cibles de référence, comme une mesure de la déformation. Dans le [11 - 1] direction, les histogrammes ont porté à un taux de déformation de 1,00 et étaient presque symétriques pour les zones convexes et concaves. Ce résultat indique qu’il y avait peu de déformation dans le [11 - 1] direction, conforme aux résultats de FFTM mentionnés ci-dessus. À l’inverse, les histogrammes pour la direction de [1-10] contenaient pics marqués à un taux de déformation d’environ 0.99, montrant la zone où la souche compression augmenté dans le film mince de BT.
La stabilité thermique de la phase ferroélectrique tétragonale a été examinée dans la dépendance de la température de son spectre Raman (Figure 6). Dans un cristal simple de BT en vrac, les pics à 305 et 720 cm−1 disparu à 140 ° C, ce qui est compatible avec le Tc de BT en vrac (~ 130 ° C). À l’inverse, le pic à 710 cm−1 de la phase tétragonale sont restés à des températures beaucoup plus élevées, détectables jusqu'à 375 ° c pour le film mince poreux synthétisé.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figure 1 : image schématique de la méthode sol-gel assistée par surfactant. Auto-assemblage des micelles de surfactant amphipathic a été utilisés comme modèle. En combinant le sol modèle organique et inorganique, un hybrides organiques/inorganiques est créé. Enfin, la calcination a été réalisée pour créer les pores en enlevant le modèle organique et cristallisant le cadre inorganique. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figure 2 : image au microscope électronique des couches minces mésoporeux BT. (a) vue de dessus SEM et (b) transversale TEM image. Ce chiffre a été modifié par Suzuki, N. et al. 13 conformément à la licence Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figure 3 : données spectroscopiques pour la phase cristalline de mésoporeux BT mince film. (un) grand angle XRD et (b), spectre Raman de la BT poreux synthétisée mince film à température ambiante. Le spectre d’un monocristal de BT en vrac est également inclus pour référence. Ce chiffre a été modifié par Suzuki, N. et al. 13 conformément à la licence Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figure 4 : visualisation de la souche induite par porosité. (a, b) Haute résolution des images TEM et (a-c) par transformation de Fourier rapide cartographie images (FFTM) de (a, c, e) convexes et les zones concaves (b, d, f) des films minces BT. Les orientations de la FFTM images sont (c, d) [1-10] et (e, f) [11-1]. Dans les images FFTM, zones vertes et rouges représentent des régions où la souche compression et en traction sont appliquées, respectivement, tandis que jaune indique la zone de référence. L’orientation utilisée pour l’analyse est également incluse (à gauche). Ce chiffre a été modifié par Suzuki, N. et al. 13 conformément à la licence Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figure 5 : analyse de la souche induite par porosité. Histogramme de distorsion analysée dans b convexe (Figure 4 a, Figure 4C, et Figure 4e) et les zones concaves (b) (Figure 4 b, Figure 4 d, Figure 4f) de la BT poreux mince film. Ce chiffre a été modifié par Suzuki, N. et coll.13 conformément à la licence Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figure 6 : la stabilité thermique de la phase ferroélectrique. Dépendance en température du spectre Raman de (a) un BT en vrac monocristal et (b) un synthèse BT poreux mince film. Ce chiffre a été modifié par Suzuki, N. et al. 13  conformément à la licence Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</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

Nous présentons ici un protocole pour la synthèse de film mince de baryum poreux titanate (BaTiO3) par une méthode assistée par surfactant sol-gel, dans lequel amphipathic auto-assemblés surfactant micelles sont utilisés comme une matrice organique.

Synthèse chimique de Titanate de baryum poreux minces et stabilisation thermique de la Phase ferroélectrique par souche induite par la porosité

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

Synthèse et purification de Iodoaziridines implication quantitative de sélection de la phase stationnaire optimale pour chromatographie

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

Recherche

Chimie

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

Préparation de la grande porosité de coordination Polymer Coatings sur macroporeuses Polymer monolithes pour enrichissement accrue des Phosphopeptides

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

Synthèse hautement stéréosélective de 1,6-cétoesters médiée par des liquides ioniques: une réaction à trois composantes permettant l&#39;accès rapide à une nouvelle classe de faible poids moléculaire 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

Synthèse et Réaction Chimie des nanoparticules monosodique 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

Synthèse et caractérisation de supramoléculaires 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

Croissance épitaxiale de perovskite Strontium Titanate sur 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

Synthèse et évaluation d’un inhibiteur de l’absorption de Calcium mitochondrique axée sur le ruthénium

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

Synthèse en phase solide de [4,4] Spirocyclique 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

Roughening électrochimique de macro et microélectrodes de platine de film mince

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

Fabrication de nanofils de fer par nano-Porous Anodized Aluminum et sa caractérisation

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