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

ש ס מבחינה כלכלית נתמכה על ידי החברה יפן לקבלת מענק הסיוע קידום המדע (JSPS) עבור מדעי מחקר (KAKENHI) (מענק מס 26810126). י' י' הוא מודה Deanship של המחקר המדעי, אוניברסיטת המלך סעוד למען הקמת דרך סגן Deanship של מדעי למחקר כיסאות.
רחבת זווית XRD מדידות בוצעו במתקן ננו-עיבוד, נתמך על ידי האצת חידוש ציוד משותף (IBEC) חדשנות פלטפורמה, המכון הלאומי למדע תעשייתי מתקדם ו טכנולוגיות (AIST), יפן. מדידת ספקטרום ראמאן, TEM התצפית של הסרט דק נקבובי נערך על-ידי HORIBA טכנו שירות ושות' בע מ, קרן עבור קידום של חומר המדע, הטכנולוגיה של יפן (MST), בהתאמה. MST ניצח גם הדמיה של המתח מתמונות TEM. אנו מודים אנדרו ג'קסון, PhD, מקבוצת Edanz (www.edanzediting.com/ac) על עריכת טיוטה של כתב היד הזה.

1. הכנת פתרון קודמן
<ol><li>להמיס 50 מ"ג של diblock קופולימר PS(18000) -b-PEO(7500) ב 1.5 מ של tetrahydrofuran-40 ° C. מגניב הפתרון פולימר לטמפרטורת החדר (RT).</li>
	<li>להמיס מ"ג 127.7 של בריום אצטט בשנת 830 µL של חומצה אצטית על ידי ערבוב ב 40 מעלות צלזיוס במשך 5 דק מגניב הפתרון בריום אצטט RT. להוסיף 170 מ"ג של butoxide טיטניום לפתרון אצטט בריום ומערבבים את תערובת התגובה עבור 1 דקות.</li>
	<li>הוסף את הפתרון פולימר הפתרון בריום אצטט dropwise.</li>
</ol>2. סינתזה של סרט דק Mesoporous בריום חומצה טיטנית
<ol><li>להגדיר את המצע /Ti/Ptxסי/SiO (2 ס"מ × 2 ס מ) על הבמה ספין-coater ושחרר את הפתרון קודמן מוכן לכסות לגמרי את המצע. הערה: עובי הסרט של SiOx, Ti ו- Pt שכבות היו כ 1.6, 40 ו 150 nm, בהתאמה.</li>
	<li>ספין סי/SiOx/Ti/Pt המצע ב 500 סל ד 5 s (שלב 1), ולאחר מכן 3,000 סל ד ל 30 s (שלב 2), במרוכז.</li>
	<li>במקום הסרט איך מכינים על פלטה חמה ו 120 מעלות למשך 5 דקות להזדקנות ואז לאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר (RT) באופן טבעי.</li>
	<li>למקם את הסרט annealed לעמעם תנור calcine באוויר ב 800 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות עם קצב בשיפוע של 1 ° C/min (הן חימום וקירור).</li>
</ol>3. אפיון
<ol><li>אפיון לחקר הגבישים מורפולוגיים
	<ol>
<li>
סריקת המידה מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM)
		<ol>
<li>שים המדגם על הבמה מדגם ולכסות את הפינות עם קלטות פחמן כדי לתקן את הדגימה. להתאים את הגובה של בעל מדגם.</li>
			<li>להגדיר את בעל מדגם מוט הטעינה ולהוסיפו למיקום ב- SEM. בעל מדגם את התנוחה הביתה ממרחק עבודה של 8 מ מ.</li>
			<li>הגדרת האצת פליטה הנוכחי של מתח חשמלי 5 KV ו-10 mA ולהפיק בקרן אלקטרון. להציג את התמונה כולה של המדגם בהגדלה נמוכה. הזז את הבמה להציג אזור של הריבית (ROI) להתמקד על התמונה.</li>
			<li>העלאת מידת ההגדלה ל- 50, 000 X. להתמקד הנקבוביות ולצפות המורפולוגיה נקבובי. כאשר נוצרת תמונה מתאימה, שמור תמונה.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) מדידה
		<ol>
<li>מכינים דגימה חתך הרוחב לפני המדידה TEM כפי שמתואר בשלב 3.3.1.</li>
			<li>להגדיר את הדגימה מוכן בעל מדגם. הגדרת האצת מתח ל-300 KV ולהפיק בקרן אלקטרון. הכנס את המחזיק TEM.</li>
			<li>להציג את התמונה כולה של המדגם בהגדלה נמוכה. הזז את הבמה להציג ROI ולהתמקד התמונה.</li>
			<li>העלאת מידת ההגדלה 250, 000 X. להתמקד המדגם ולבחון את המבנה הנקבובי של הסרט דק מסונתז (~200 ננומטר בעובי). כאשר נוצרת תמונה מתאימה, שמור תמונה.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
רנטגן רחבת זווית עקיפה (XRD) מדידה
		<ol>
<li>להגדיר את diffractometer רנטגן מצויד עם מקור Cu Kα.</li>
			<li>שים המדגם על מרכז הבמה מדגם.</li>
			<li>התאם ציר z (כלומר., גובה מיקום) של השלב שבו המדגם חוסם את החצי של תקרית רנטגן. לאחר מכן, התאמת ω-הציר (כלומר., זווית רועה) כדי להפוך את השטח מדגם במקביל הרנטגן.</li>
			<li>וחזור על שלב מספר 3.1.3.3 עד מיקום הבמה מדגם הופך מתאים (כלומר., השטח המדגם הינו ממוקם במרכז של קרן רנטגן, במקביל הרנטגן).</li>
			<li>לתקן ω לזווית קטנה (למשל., 0.5 °), ולאחר מכן סרוק 2θ (כלומר., גלאי זווית) מ- ° 20 עד 70 ° צלזיוס, בקצב של 1 ° לדקה לשמור את הנתונים לאחר המדידה. הערה: כדי לדכא את האות רקע המצע, צילומי רנטגן נכנסות היו מוקרן בזווית של רועה קטן מאוד על השטח של הסרט דק מסונתז.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>לבדוק את יציבות תרמית של שלב ferroelectric
	<ol>
<li>הפעל המיקרוסקופ ראמאן ואת המחשב הפעלה, ולאחר מכן פתח את תוכנת ההפעלה LabSpec. לחץ על כיול אוטומטי כדי לכייל את המכונה.</li>
		<li>להגדיר זכוכית על הבמה חימום ולאחר מכן שים את הסרט מסונתז על הזכוכית. סגור את המכסה של הבמה.</li>
		<li>מחממים את הדגימה עם שלב חימום באמצעות יחס הרמפה של 15 ° C/min. כאשר הטמפרטורה מגיעה הטמפרטורה היעד, להגדיר את הבמה חימום כדי לשמור על טמפרטורה זו ולחכות כמה דקות. הערה: במחקר זה, בחרנו RT ו 50 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140, 150 ° C עבור BT בתפזורת, הכולל של טמפרטורת קירי של 130 מעלות צלזיוס. בחרנו טמפרטורות של RT ו 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 525 ° C לסרט mesoporous BT דק, אשר טמפרטורת קירי הוערך יהיה בקירוב 470 ° C המחקר הקודם8.</li>
		<li>לאחר הטמפרטורה מייצבת, למדוד את ספקטרום ראמאן בטמפרטורות שונות עם מיקרוסקופ קונפוקלי ראמאן באמצעות חור קונאפוקלית 300-מיקרומטר ו- 532 ננומטר לייזר (10 mW ב דוגמה) עבור עירור. לחץ על הסמל ' וידאו ' כדי להציג את התמונה נצפתה ולאחר מכן להתמקד בתמונה. מוגדר של רכישת זמן, הצטברויות, 100 s ו- 3, בהתאמה, ולאחר מכן לחץ על הסמל מידה כדי להתחיל את המדידה. שמור את הנתונים לאחר המדידה.</li>
		<li>להמשיך את המידות עד משתנה ספקטרום (כלומר., הפסגות להקצאה. כדי השלב ferroelectric נעלם). הערה: מדידות נערכו שלוש נקודות, ספקטרום שהושג היו בממוצע.</li>
	</ol></li>
	<li>ויזואליזציה של המתח
	<ol>
<li>הכן דגימה חתך מהסרט דק מסונתז על ידי שיטת הדגימה מיקרו באמצעות קרן יון ממוקד הטחינה היקפיים, התחתונה, מיקרו-גשר חיתוך של דילול של הדגימה. הגודל של הדגימה צריך להיות כ 20 מיקרומטר באורכו 4 מיקרומטר עובי.</li>
		<li>למדוד שידור ברזולוציה גבוהה מיקרוסקופ אלקטרונים (HR-TEM) תמונות (2,000, 000 X) על משטחים קיעור וקימור שנגזרות את נקבוביות.</li>
		<li>בחר אזור (512 × 512 פיקסלים) עבור התמרת פורייה מהירה (FFT), לחשב את התבנית FFT. מעריכים את המרווח סריג מהתבנית FFT, מחבר המרווח סריג נטולת מאמץ כדי לחשב את "יחס דפורמציה".</li>
		<li>משמרת האזור ניתוח FFT 32 פיקסלים, וחזור על שלב 3.3.3. המשך בתהליך זה עד כל האזור של התמונה HR-TEM מכוסה (במחקר זה, × 5,664 5,664 פיקסלים (162 × 162 נקודות)). הערה: המרווח סריג נטולת מאמץ הוערך מהתמונה FFT לפחות מעוותת.</li>
		<li>הגדר את הצבע של אזורים לפי היחס מחושב דפורמציה להמחיש את המתח. להפוך את היסטוגרמות על ידי ספירת היחס דפורמציה. הערה: ניתוח של להרכב HR-TEM תמונות נערך עם התוכנה CryStMapp.</li>
		<li>
ליצור היסטוגרמה מפורט שימוש בתוכנת Pro איגור הערה: מכיוון ההיסטוגרמה של העיוות שהושג בשלב 3.3.5 הוא מחוספס, היסטוגרמה מפורט שימוש בתוכנת Pro איגור נוצר.<ol>
<li>לטעון על נתונים מספריים היחס דפורמציה על-ידי בחירה נתונים | לטעון גלים | טקסט העומס הכללי , שמור אותו כקובץ גל עם שם. הערה: איגור Pro מגדיר את האובייקט כולל מערך מספרי כגל.</li>
			<li>לשנות את הגל שנשמרו מטריצה (162 × 162) על-ידי בחירה נתונים | שינוי קנה מידה של גל.</li>
			<li>הצגת גל תמונה דו-ממדית על-ידי בחירה תמונה | חדש | תמונה פרוט.</li>
			<li>בחר ניתוח | חבילות | לעיבוד תמונה כדי להציג את תפריט ' תמונה '.</li>
			<li>בחר את התמונה | רועי כדי להציג ROI לוח. בחר להתחיל לצייר רועי לבחירת ROI. לצייר את האזור על תמונה ולאחר מכן בחר לסיים את רועי.</li>
			<li>בחר שמור עותק של רועי ליצירת המסיכה כדי לבחור את האזור לניתוח כמו גל ROI_M_Mask.</li>
			<li>קלט "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" בשורת הפקודה של חלון הפקודה כדי ליצור היסטוגרמה. השתמש בשם שהגדרת בשלב 3.3.6.1 של wavename.</li>
			<li>בשורת הפקודה של חלון הפקודה כדי להציג היסטוגרמה, קלט "הצג W_ImageHist". לשנות את התרשים, במידת הצורך.</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>

המחברים אין לחשוף.

פיצול של מצב1(אל) אבספקטרום ראמאן נקבובי BT דקה בסרט (איור 3b) מקורו של זן compressive. תכונה זו נצפתה בבירור בשיטת FFTM (איור 4) וקבעה שלה חיזקו בכיוון [1-10] היה מן ההיסטוגרמה של עיוות (איור 5). זן compressive לאורך הכיוון [1-10] יש השפעה דומה של גרימת זן compressive biaxial על פני השטח (001), אשר משפר את ferroelectricity BT1. נקבובי מונחה מאמץ אניסוטרופי מאריך סריג הגביש לכיוון c-ציר, גורם נוסף נקע של Ti4 + מהמרכז של הסריג. נקע זה צפוי להגדיל את מומנט דיפול חשמלי, אשר בתורו מגביר החשמל פרו (piezo). אכן, פיאזואלקטריות של סרט BT mesoporous הוא על זו של הסרט שאינו נקבובי8.
המתח המושרה בסריג הגביש BT מייצבת את שלב הטטרגונלית מעוותת. לפיכך, יציבות תרמית של השבכה צפוי להיות משופרת. ספקטרום ראמאן נקבובי BT דק הסרט הראה שהפסגה מקור שלב הטטרגונלית (ב ס מ 710− 1) נשארו גלויים עד 375 ° C, למרות הפסגה הפכה בהדרגה חלש יותר, רחבה יותר (איור 6b). מגמה זו היה דומה לזה נמצא במחקר הקודם, שבו Tc נאמדת 470 ° C8. לפיכך, וידאנו ההנחה כי המתח מונחה נקבובית בסרט דק BT התייצב ביעילות תרמית השלב הטטרגונלית...
באמצעות מחקר זה, אנחנו הבהיר כי המתח המושרה נקבובית הנוצרת על-ידי הליך כימי פשוט וזול יש אפקט דומה לזה של זן-ממשק הטרו שמקורם סריג אי-התאמה. ממצאים אלה מספקים תובנות רומן המתח הנדסה.

חומצה טיטנית בריום (BaTiO3, להלן BT) הוא חומר ferroelectric מסוג פרוביסקיט טיפוסית. למרות תכונותיו ferroelectric התגלו בשנות ה-40, הוא עדיין משמש היום בשל תגובות ferroelectric ו פיזואלקטריים ומאוזנת קבוע דיאלקטרי חיובית. יתר על כן, מאחר BT חומר נטול עופרת, ידידותי לסביבה, הוא משך עניין רב כתחליף עופרת חומצה טיטנית zirconate (PZT). בטמפרטורת החדר, השלב קריסטל של BT הוא הטטרגונלית, שבו היחס של c ו- a סריג פרמטרים (c/) אינה שווה ל- 1. בשלב הטטרגונלית, השבכה BT הינו מאורך מעט לכיוון c-ציר ו קטיונים (Ba2 +,4 +Ti.) אניונים (O2−) הם נעקרו בכיוונים מנוגדים. התוצאה הזחה קיטוב ספונטנית של הישיר כאשר הטמפרטורה עולה ל טמפרטורת קירי (Tc), מתרחש מעבר שלב שלב מעוקב. בשלב מעוקב של BT, אשר יש c/ = 1, העיוות סריג זה רגוע, ferroelectricity שלה הוא לאיבוד בשל הנייטרליות חשמל שמקורם הסימטריה היפוך של השבכה. לאחרונה, הרחיבה השימוש בחומרים ferroelectric בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, Tc של BT הוא יחסית נמוך (~130 ° C) ו- BT בצובר לא לעמוד בדרישות אלה.
כדי להגדיל את Tc של BT, השלב (הטטרגונלית) ferroelectric כבר התייצב על-ידי היישום של זן-הטרו-הממשק. לדוגמה, צ'וי. ואח משופרת של ferroelectricity של סרטים BT epitaxially גדל על GdScO3 (110) ותערובות3 (110) DyScO באמצעות biaxial זן compressive נגרמת על ידי חוסר התאמה של סריג1. אולם, העלייה של Tc היא מוגבלת סרטים רזה מאוד (עשרות ננומטר בעובי)2,3, אשר אינה מעשית עבור התקן יישומים.
כדי להגדיל את עובי הסרט BT תוך מניעת זן הרפיה, פותחו superlattice (תקופתי מבנה שכבות דק מאוד) ותלת מימד (3D) הטרו-nanostructures. הרינגטון. ואח מסונתז mesostructure אנכי של BT ו- Sm2O3 וקיבלתי סרט עבה מיקרומטר-סולם-הורה בלי מאמץ הרפיה. במדגם זה, קיטוב ספונטני הוא מאונך שכיוונו המצע בשל הרחבת uniaxial של תא היחידה BT; לפיכך, קיטוב שארית גדולה נשמר בטמפרטורה גבוהה (כלומר., Tc היה גדול מ- 800 מעלות צלזיוס)4. המאפיינים שהושג היה משביע רצון; אולם, מורכב ויקר הפיזי תהליך (לייזר פעמו בתצהיר) היה נדרש עבור ייצור, וזה חיסרון עבור יישומים מעשיים.
כמו תהליך ייצור נתיישב וזולה חלופיים, הצגנו סינתזה כימית של nanocomposites תלת-ממד על-ידי המבוא של פתרון קודמן של BT לתוך נקבוביות סטרונציום נקבובי חומצה טיטנית (SrTiO3, מכאן והלאה ST) סרט דק5 . במסגרת המחקר, הסרט דק נקבובי סנט היה מסונתז על ידי שיטה בסיוע חומרים פעילי שטח סול-ג'ל, שבו הרכבה עצמית של חומרים פעילי שטח amphipathic הקזאין שימש כמקום תבנית אורגני6,7. השיטה מודגם סכמטי באיור1. כי הסרט דק שהושג סנט יש מבנה מורכב נקבובי 3D עם פני שטח גדול, זן-הטרו-הממשק BT/סנט מוחדרים nanocomposite, שמוביל הייצוב של שלב ferroelectric של BT ( Tc של ST / BT nanocomposite הגיעו 230 מעלות צלזיוס).
שיערנו כי נקבוביות יכול להציג את המתח ב BT ולשפר את יציבות תרמית של מאפיינים ferroelectric ישירות. במחקר זה, השתמשנו בשיטה בסיוע חומרים פעילי שטח סול-ג'ל כדי להמציא BT נקבובי לבחון את המתח המושרה הנקבובית. בנוסף, השווינו את יציבות תרמית בין BT נקבובי הישיר בצובר nonporous מצאנו כי הנקבוביות הציג המושרה זן אנאיזוטרופי, אשר מוארך סריג הגביש BT... אפקט זה יכול להיות חיובית לייצב את השלב ferroelectric. כי תהליך הסינתזה המשמש כאן היא פשוטה מאוד, יש לו יתרונות על-קונבנציונאלי תהליכים פיזיקליים עבור תלת-ממד הטרו-nanostructures.

<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

חומצה טיטנית בריום (BaTiO3, להלן BT) הוא חומר ferroelectric הוקמה הראשון שהתגלה בשנת 1940, עדיין נפוצה בשל ferroelectricity מאוזנת היטב, חשמל גבישי, קבוע דיאלקטרי. בנוסף, BT אינו מכיל רכיבים רעילים כלשהם. לכן, הוא נחשב להיות חומר ידידותי לסביבה, אשר משכה עניין רב כתחליף עופרת חומצה טיטנית zirconate (PZT). אולם, בצובר BT מאבד את ferroelectricity כ 130 ° C, לפיכך, אין אפשרות להשתמש בטמפרטורות גבוהות. בשל הדרישה הגוברת חומרים ferroelectric טמפרטורה גבוהה, חשוב לשפר את יציבות תרמית של ferroelectricity הישיר של מחקרים קודמים, שימש זן שמקורם ההתאמה סריג-הטרו-ממשקים. עם זאת, הכנת הדוגמא בגישה זו מחייב תהליכים פיזיקליים מסובכים ויקרים, אשר לא רצויות עבור יישומים מעשיים.
במחקר זה, אנו מציעים סינתזה כימית של חומר נקבובי כאמצעי חלופי של היכרות עם זן. אנחנו מסונתז BT נקבובי דקה בסרט באמצעות שיטה בסיוע חומרים פעילי שטח סול-ג'ל, שבו amphipathic עצמית שהורכב חומרים פעילי שטח הקזאין שימשו תבנית אורגני. דרך סדרה של מחקרים, אנחנו הבהיר המבוא של הנקבוביות שיש השפעה דומה על עיוות סריג הגביש BT, לזה של ממשק הטרו, המוביל שיפור ייצוב של ferroelectricity. בשל יעילותו פשטות, עלות, תהליך ייצור זה יש יתרונות ניכר על פני שיטות קונבנציונליות.

המורפולוגיה של הסרט דק של BT mesoporous שהושג נבדק על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים. תמונת SEM להציג העליונה, אישר את התכונות נקבובי מסונתז BT דק הסרט (איור 2 א). התכונות מורפולוגי לכיוון עומק נחקרו עם תמונת TEM חתך הרוחב (איור 2b). וגידולו גדול עם קטרים של כמה עשרות ננומטר היו מוערמים בצורה אנכית, הפערים בין אלה וגידולו היו נקבוביות. עובי הסרט דק BT המשוער היה כ 200 ננומטר.
Crystallinity של המסגרת BT נבדק על ידי מדידות XRD רחבת זווית. פסגות חלש מאוד של BaCO3 וטיו2 היו לזיהוי, להמחות BT לקריסטלים בולטות פסגות נצפו בבירור (איור 3 א). עם זאת, היה קשה להבחין בין (ferroelectric) הטטרגונלית שלבים מעוקב (paraelectric). זה בגלל דפוסי XRD בשני שלבים דומים למדי. ההבדל העיקרי הוא הפסגה ב 2θ באמצעות = 45 ° עבור השלב מעוקב מפוצל לשלב הטטרגונלית. במחקר זה, הגילוי של פיצול כזה היה קשה כי מהות polycrystalline הסרט הרחיבה את רוחב שיא. לפיכך, כדי להבהיר את שלב קריסטל של הסרט דק, ספקטרום ראמאן שלו נמדדה (איור 3b). ספקטרום ראמאן של גביש BT יחיד בצובר בטמפרטורת החדר הראו פסגות מרוכז בכל 275, 305, 515 ו ס מ 720− 1, אשר הוקצת A1(אל), B1+E(אל + LO), E(אל) +A 1 (אל), ו- E(LO) +A1(LO) דרכי הטטרגונלית שלב9. בספקטרום של הסרט דק נקבובי BT, למרות פיצול של מצב1(אל) א. התרחש, נשמרו התכונות העיקריות של הספקטרום. לפיכך, מסונתז נקבובי BT דק הסרט היה הטטרגונלית.
התפוצה המרחבית של המתח במסגרת BT של הסרט דק נבדק על ידי מהיר פורייה המרה מיפוי (FFTM) שיטה10. שיטה זו מנתחת, מדמיין זעירים עיוותים בדפוסי FFT ברזולוציה גבוהה (משאבי אנוש)-תמונות TEM. איור 4 מתאר HR-TEM תמונות של אזורים של הסרט דק במשטחים קיעור וקימור ותמונות FFTM המתאימים. התמונה FFTM של הכיוון [1-10] באזור קמורה חשף כי למיקרוסקופי קמור במקצת הורחב, סידור אשר אמור לגרום הרפיה סריג, מחלישה ferroelectricity. לעומת זאת, האזורים מתחת לפני השטח היו דחוסים, האזורים הדחוסים נצפו לחלוטין בתוך המסגרת. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם דיווחים קודמים להצביע על פני השטח של BT חלקיקים כוללות שלב מעוקבים paraelectric, בעוד הליבה הפנימית היא שלב הטטרגונלית ferroelectric11,12. בתוך מסגרת ה-BT, בכמה אזורים המורחב נמצאו גם, בעיקר על סטיות ו/או גבולות תבואה (איור 4 c). עבור אזורים קעורים, למרות להרכב של המשטח החיצוני לא נצפתה בבירור, סביר כי השטח היה מצולע במקום דחיסה מעוקל, במסגרת היה מזוהה (איור 4 d). לעומת זאת, FFTM תמונות של [11 - 1] כיוון בשני התחומים קיעור וקימור היו לא ברורות (איור 4e, f), רומז שהייתה קטנה דפורמציה של תא היחידה BT בכיוון הזה.
לבחון את דפורמציה של השבכה BT יותר באופן כמותי, מידת דפורמציה היה מסוכם ב היסטוגרמות (איור 5). מכל אלה היסטוגרמות, קבענו "דפורמציה היחס", אשר מוגדרת כיחס בין המרחק בין מרווח צמוד סריג באזורים ' יעד ' הפניה ', כאמצעי של דפורמציה. ב [11 - 1] כיוון, היסטוגרמות היו ממורכז ביחס דפורמציה של 1.00, היו כמעט סימטרי בבתי קיעור וקימור. תוצאה זו עולה שהיה שם זן קטן ב [11 - 1] כיוון, בקנה אחד עם התוצאות של FFTM שהוזכרו לעיל. לעומת זאת, היסטוגרמות לכיוון [1-10] הכיל פסגות מסומן ביחס דפורמציה של 0.99, מציג האזור שבו גדל זן compressive בסרט דק BT.
יציבות תרמית של שלב הטטרגונלית ferroelectric נבדק מן התלות בטמפרטורה של ספקטרום ראמאן שלה (איור 6). ב- BT בצובר גביש יחיד, הפסגות חד-305, 720 ס מ− 1 נעלם ב 140 ° C, אשר עולה בקנה אחד עם Tc של BT בתפזורת (~ 130 ° C). לעומת זאת, הפסגה-710 ס מ− 1 מהשלב הטטרגונלית נשאר בטמפרטורה גבוהה בהרבה, לזיהוי למעלה עד 375 ° C עבור הסרט דק נקבובי מסונתז.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> איור 1: התמונה סכמטי של שיטה בסיוע חומרים פעילי שטח סול-ג'ל. הרכבה עצמית של amphipathic חומרים פעילי שטח הקזאין שימש כתבנית. על ידי שילוב של סול תבנית אורגניים ואנאורגניים, נוצר היברידית האורגני/אורגני. לבסוף, calcination נערך על מנת ליצור את הנקבוביות על-ידי הסרת התבנית אורגני התגבשות המסגרת אורגניים. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> איור 2: תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של סרט דק mesoporous BT- () להציג העליונה SEM ו- (b) חתך הרוחב TEM תמונה. איור זה שונה מסוזוקי, ש. et al. 13 בהתאם הרשיון מלאי ייחוס (CC מאת). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> איור 3: סרט דק נתונים ספקטרוסקופיות בשלב קריסטל mesoporous BT- דפוס () זווית XRD ו- (b) ספקטרום ראמאן של BT נקבובי מסונתזת סרט בטמפרטורת החדר דק. הספקטרום של גביש יחיד של BT בצובר נכלל גם הפניה. איור זה שונה מסוזוקי, ש. et al. 13 בהתאם הרשיון מלאי ייחוס (CC מאת). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> איור 4: ויזואליזציה של זן נקבוביות-induced. (a, b) TEM תמונות ברזולוציה גבוהה, (c-f) טרנספורם פורייה מהירה מיפוי תמונות (FFTM) של (a, c, e) קמורה ואזורי (b, d, f) קעורה הסרטים דק BT. כיווני של FFTM תמונות הם (c, d) [1-10] ואין (e, f) [11-1]. של תמונות FFTM, ירוק ו אדום אזורים מייצגים אזורים שבו המתח compressive, מתיחה מוחלות, בהתאמה, בעוד צהוב מציין את אזור הפניה. כיוון המשמש לניתוח כלולה גם (משמאל). איור זה שונה מסוזוקי, ש. et al. 13 בהתאם הרשיון מלאי ייחוס (CC מאת). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> איור 5: ניתוח של זן נקבוביות-induced. היסטוגרמה של עיוות נותח ב- (א) קמורה (4a איור, איור 4 c, ו- איור 4e) ו- (ב) קעורה (4b איור, איור 4 d, איור 4f) תחומי BT נקבובי סרט דק. איור זה שונה מסוזוקי, ש et . al.13 בהתאם הרשיון מלאי ייחוס (CC מאת). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> איור 6: יציבות תרמית של שלב ferroelectric. התלות בטמפרטורה של הספקטרום ראמאן של גביש יחיד () BT בתפזורת (b) BT נקבובי מסונתז סרט דק. איור זה שונה מסוזוקי, ש. et al. 13  בהתאם הרשיון מלאי ייחוס (CC מאת). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</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

כאן, אנו מציגים את פרוטוקול לסינתזה של נקבובי בריום חומצה טיטנית (BaTiO3) סרט דק בשיטה בסיוע חומרים פעילי שטח סול-ג'ל, שבו amphipathic עצמית שהורכב חומרים פעילי שטח הקזאין משמשים תבנית אורגני.

סינתזה של נקבובי בריום חומצה טיטנית סרט דק וייצוב תרמי של שלב Ferroelectric על ידי זן נקבוביות-Induced

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

סינתזה וטיהור של Iodoaziridines עירוב כמותי בחירת האופטימלית נייח השלב לכרומטוגרפיה

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

הכנת תיאום מאוד נקבובי פולימר ציפויים על מונוליתים פולימר Macroporous להעשרה משופרת של 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

סינתזה מאוד Stereoselective של 1,6-Ketoesters מתווכת על ידי נוזלים יוניים: תגובת שלושה רכיבי הפעלה מהירה גישה לסוג חדש של נמוך Gelators משקל המולקולרי

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

כימית סינתזת תגובה של nanosize מונוסודיום 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

סינתזה ואפיון של קולואידים מולקולריים

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

הצמיחה epitaxial של perovskite סטרונציום Titanate על גרמניום באמצעות הפקדת אטומית Layer

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

סינתזה והערכה של מעכב ספיגת סידן מיטוכונדריאלי מבוססי רותניום

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

מוצק-שלב הסינתזה של Oximes Spirocyclic [4.4]

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

אלקטרוכימי של מאקרו פלטינה בסרט דק ומיקרואלקטרודות

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

ברזל יצוק בייצור ננו-נקבובי אלומיניום ואיפיון

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