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. 재정적으로 지원 했다 일본 사회 과학 진흥 (JSP) 특정에 대 한에 대 한 과학적 연구 (KAKENHI) (보조금 번호 26810126). Y. Y.는 Deanship 과학 연구, 킹 사우드 대학 부 Deanship의 과학 연구의 자 통해 창립에 대 한 감사입니다.
광각 XRD 측정은 나노 가공 시설, 첨단 산업 과학 및 기술 (AIST), 일본에 대 한 혁신을 증폭 장비 일반 (IBEC) 혁신 플랫폼, 국립 연구소에 의해 지원에서 실시 했다. 라만 스펙트럼 측정 및 가장 다공성 박막의 각각 승진의 재료 과학 및 기술의 일본 (MST), HORIBA 테크노 서비스 주식회사와 재단에 의해 실시 되었다. MST는 또한 가장 이미지에서 긴장의 시각화를 실시. 우리는이 원고 초안을 편집 하기 위해 앤드류 잭슨, 박사, Edanz 그룹 (www.edanzediting.com/ac)에서 감사 합니다.

1입니다. 전조 솔루션의 준비
<ol><li>분해 diblock 공중 합체 PS(18000)-b의 50 밀리 그램의 40 ° c.에 tetrahydrofuran 1.5 ml에서-PEO(7500) 차가운 실내 온도 (RT) 폴리머 솔루션.</li>
	<li>바 륨 아세테이트 솔루션 티타늄 butoxide 바 륨 아세테이트 솔루션의 실시간 추가 170 mg 5 분 쿨에 대 한 40 ° C에서 교 반에 의해 아세트산의 830 µ L 초 산 바 륨의 127.7 mg을 녹이 고 1 분 동안 반응 혼합물을 저 어.</li>
	<li>바 륨 아세테이트 솔루션에 dropwise 폴리머 솔루션을 추가 합니다.</li>
</ol>2. 바 륨 Mesoporous 타이타늄 박막의 합성
<ol><li>Spin coater의 무대에서 Si/SiOx/Ti/Pt 기판 (2 × 2cm)를 설정 하 고 완전히 커버 기판 준비 전조 솔루션을 드롭. 참고: 필름 두께 SiOx, Ti, 및 태평양 표준시의 레이어 되었고 약 1.6, 40, 150 nm, 각각.</li>
	<li>Si/SiOx/티/Pt 기판 5 500 rpm 스핀 s (1 단계), 그리고 30에 대 한 후 3000 rpm s (2 단계), 연속적으로.</li>
	<li>뜨거운 접시에 준비로 필름을 배치 하 고 에이징, 5 분 동안 120 ° C에가 열 다음 자연스럽 게 실내 온도 (RT)에 냉각 하기 위하여 그것을 허용.</li>
	<li>휩 싸이 다 용광로에 공기 (난방과 냉각 둘 다)를 위한 1 ° C/min의 램프 속도 10 분 동안 800 ° C에 있는 calcine 단련된 영화를 놓습니다.</li>
</ol>3입니다. 특성화
<ol><li>형태학 및 결정학 특성화
	<ol>
<li>
스캐닝 전자 현미경 (SEM) 측정
		<ol>
<li>샘플 단계에 샘플을 넣고 샘플을 해결 하기 위해 탄소 테이프와 모서리를 커버. 샘플 홀더의 높이 조정 합니다.</li>
			<li>로드 로드에 샘플 홀더를 설정 하 고 삽입 SEM. 위치에 샘플 홀더 8mm의 작동 거리에서 홈 위치에.</li>
			<li>가속 전압 및 현재 방출 5 설정 KV, 10 mA는 전자 빔을 생성 하는 고. 낮은 확대에 샘플의 전체 이미지를 표시 합니다. 이미지에 관심 (ROI) 및 초점의 영역을 표시 하려면 단계를 이동 합니다.</li>
			<li>50, 배율 증가 000 X. 모 공에 집중 하 고 다공성 형태를 관찰. 적당 한 이미지 관찰 그림을 저장 합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
전송 전자 현미경 (TEM) 측정
		<ol>
<li>3.3.1 단계에서 설명한 대로 가장 측정 전에 횡단면 견본을 준비 합니다.</li>
			<li>준비 된 표본 샘플 홀더 설정 합니다. 가속 전압 300 설정 KV 전자 빔을 생성 하는 고. 가장에 홀더를 삽입 합니다.</li>
			<li>낮은 확대에 샘플의 전체 이미지를 표시 합니다. 투자 수익을 표시 하 고 이미지에 초점을 무대를 이동 합니다.</li>
			<li>증가 배율 250, 000 X. 샘플에 초점 및 합성된 박막의 다공성 형태 관찰 (~200 nm 두께에서). 적당 한 이미지 관찰 그림을 저장 합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
광각 x 선 회절 (XRD) 측정
		<ol>
<li>Cu Kα 소스를 갖춘 x 선 diffractometer를 설정 합니다.</li>
			<li>샘플 샘플 무대의 중앙에 넣어.</li>
			<li>Z 축 조정 (즉., 높이 위치)는 샘플 사건 엑스레이의 절반을 차단 하는 무대의. 다음, 조정 ω-축 (즉., 방목 각도) 샘플 표면 x-선 병렬 수 있도록.</li>
			<li>3.1.3.3 샘플 단계 위치 적당 한 될 때까지 단계를 반복 (즉., 샘플 표면은 x 선 빔과 평행 하 게 x 선의 센터에 위치).</li>
			<li>작은 각도 ω를 수정 (예., 0.5 °), 다음 2θ를 검색 하 고 (즉., 검출기 각도) 1 ° / 분의 속도와 70 ° 20 °에서 측정 후 데이터를 저장. 참고: 기판에서 배경 신호를 들어오는 엑스레이 합성된 박막의 표면에 아주 작은 초 식 각도에서 조사 했다.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Ferroelectric 위상의 열 안정성에 대 한 테스트
	<ol>
<li>라만 현미경 및 운영 컴퓨터 한 다음 LabSpec 운영 소프트웨어를 엽니다. 기계 보정을 자동 보정 을 클릭 합니다.</li>
		<li>난방 단계에 유리 슬라이드를 설정 하 고 유리에 합성된 필름을 넣어. 스테이지에의 덮개를 닫습니다.</li>
		<li>샘플 15 ° C/min의 경사로 비율을 사용 하 여 난방 단 열. 때 온도가 목표 온도 도달,이 온도 유지 하 고 몇 분을 난방 단계를 설정 합니다. 참고:이 연구에서 우리가 선택 RT와 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140, 및 150 ° C 대략 130 ° c.의 퀴리 온도 대량 BT에 대 한 우리는 RT와 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475, 그리고는 퀴리 온도 약 470 ° c 이전 연구8평가 했다 mesoporous BT 얇은 필름을 위한 525 ° C의 온도 선택.</li>
		<li>온도 안정화, 후 공초점 라만 현미경 300 µ m confocal 구멍 하 고 532 nm 레이저를 사용 하 여 다양 한 온도에서 라만 스펙트럼을 측정 (10 mW 샘플에) 여기에 대 한. 관찰된 이미지를 표시 하는 이미지에 초점 비디오 아이콘을 클릭 합니다. 100 시간 수집 및 축적을 설정 s 및 3, 각각, 측정 하려면 측정 아이콘을 클릭 하 고. 측정 후 데이터를 저장 합니다.</li>
		<li>측정 스펙트럼 변경 될 때까지 계속 (즉., ferroelectric 단계에 할당할 수 봉우리 사라집니다). 참고: 측정 3 포인트에서 실시 했다 고 얻은 스펙트럼 평균 했다.</li>
	</ol></li>
	<li>긴장의 시각화
	<ol>
<li>주변 밀링, 아래쪽 마이크로-다리 절단, 및 표본에의 집중 된 이온 살을 사용 하 여 마이크로 샘플링 방법에 의해 합성된 박막에서 횡단면 견본을 준비 합니다. 시료의 크기는 약 20 µ m 길이에서 4 µ m 두께에서 해야 한다.</li>
		<li>볼록 하 고 오목한 표면에 다공성에 의해 유도 된에서 고해상도 전송 전자 현미경 검사 법 (인사 편) 이미지 (2, 000, 000 X)를 측정 합니다.</li>
		<li>고속 푸리에 변환 (FFT)에 대 한 지역 (512 × 512 픽셀)를 선택 하 고 계산 하는 FFT 패턴. FFT 패턴에서 격자 간격을 견적 하 고 "변형 비율"을 계산 부담 없는 격자 간격으로 나눕니다.</li>
		<li>32 픽셀, FFT 분석 영역을 이동 하 고 3.3.3 단계를 반복 합니다. HR-가장 이미지의 전체 지역 (이 연구 5,664 × 5664 픽셀 (162 × 162 점))에 덮여 때까지이 과정을 계속 합니다. 참고: 부담 없는 격자 간격 이상 왜곡 된 FFT 이미지에서 추정 되었다.</li>
		<li>긴장을 시각화 하기 위해 계산 된 변형 비율에 따라 영역의 색상을 설정 합니다. 변형 비율을 계산 하 여 히스토그램을 확인 합니다. 참고: 시간 편 이미지에서 변형 분석 소프트웨어 CryStMapp와 함께 실시 했다.</li>
		<li>
이고르 프로 소프트웨어를 사용 하 여 상세한 히스토그램 만들기 참고: 히스토그램 단계 3.3.5에서에서 얻은 왜곡의 거친 이므로 자세한 히스토그램 이고르 Pro 소프트웨어를 사용 하 여 생성 됩니다.<ol>
<li>데이터를 선택 하 여 변형 비율의 숫자 데이터를 로드 | 파도 로드 | 로드 일반 텍스트 웨이브 적절 한 이름으로 저장. 참고: 이고르 프로 파도로 숫자 배열을 포함 하는 개체를 정의 합니다.</li>
			<li>데이터를 선택 하 여 저장 된 웨이브 매트릭스 (162 × 162)로 변경 | 변경 웨이브 확장.</li>
			<li>이미지를 선택 하 여 2D 이미지로 물결 표시 | 새로운 | 제자를 이미지.</li>
			<li>분석을 선택 | 패키지 | 이미지 처리 이미지 메뉴를 표시 하려면.</li>
			<li>이미지 선택 | 투자 수익 ROI 패널 표시. 선택 하는 투자 수익 ROI 그리기 시작 을 선택 합니다. 이미지, 위에 영역을 그립니다 하 고 투자 수익 완료를 선택 합니다.</li>
			<li>ROI_M_Mask 웨이브로 분석에 대 한 영역을 선택 하 여 마스크를 만들 ROI 복사본 저장 을 선택 합니다.</li>
			<li>입력 "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" 히스토그램 수 있도록 명령 창의 명령줄에서. 단계 3.3.6.1 wavename에서에서 설정 하는 이름을 사용 합니다.</li>
			<li>히스토그램 표시 명령 윈도우의 커맨드 라인에서 "W_ImageHist 표시"를 입력 합니다. 필요한 경우 그래프를 수정 합니다.</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>

저자는 공개 없다.

다공성 BT 박막 (그림 3b)의 라만 스펙트럼에서 A1(TO) 모드의 분할 압축 긴장에서 유래. 이 기능은 FFTM 방법 (그림 4)에 의해 명확 하 게 관찰 되었다 그리고 그것의 이방성 [1-10] 방향으로 왜곡 (그림 5)의 히스토그램에서 결정 했다. [1-10] 방향 따라 압축 긴장 강화 BT1ferroelectricity (001) 표면에서 biaxial 압축 변형 유도의 비슷한 효과가 있다. 다공성 구동된 이방성 스트레인 elongates c쪽으로 결정 격자-축, 격자의 중심에서 추가의 티타늄4 + 전위를 일으키는. 이 전위는 차례로 페로 (piezo) 전기 향상 전기 쌍 극 자 모멘트를 증가 예정 이다. 실제로, mesoporous BT 영화의 조 비-다공성 필름8의 뛰어난 이다.
BT 결정 격자에서 유도 된 긴장 왜곡된 정방 위상 안정화. 따라서, 격자의 열 안정성 향상 될 예정 이다. 다공성 BT 박막 (710 cm− 1)에서 정방 단계 원산지 피크 남아 375 ° C까지 표시 피크는 점차적으로 약한 하 고 광범위 한 되었다 보여주었다 (그림 6b)의 라만 스펙트럼. 이 추세는 Tc 는 470 ° C8이기 위하여 견적 되었다, 이전 연구에서 발견 된 유사 했다. 따라서, 우리는 BT 박막의 기 공 제어 변형 효과적으로 열 안정화 정방 단계 가정을 확인 했다.
이 연구를 통해 우리는 간단 하 고 저렴 한 화학 절차에 의해 형성 하는 기 공 유도 스트레인 hetero 인터페이스 격자 불일치에서 유래 긴장의 유사한 효과 명백 하 게. 이러한 결과 스트레인 엔지니어링에 대 한 새로운 통찰력을 제공합니다.

타이타늄 바 륨 (BaTiO3,이 BT)는 전형적인 페로 형 ferroelectric 물자 이다. Ferroelectric 속성은 1940 년대에서 발견 되었다, 비록 그것은 아직도 널리 오늘 균형 ferroelectric 그리고 압 전 응답 유리한 유전율 때문에 사용 된다. 또한, BT는 무연, 에코-친화적인 소재, 때문에 리드 zirconate 타이타늄 (압)에 대 한 교체로 큰 관심을 모으고 있다. 실내 온도에, BT의 크리스탈 단계는 정방, 곳에 c 와 a 의 비율 격자 매개 변수 (c/a)는 1. 정방 단계에서 BT 격자는 c쪽으로 약간 길쭉한-축 및 양이온 (바2 +, 티타늄4 +)과 음이온 (O2−) 반대 방향에서 난민. 이 변위 결과 BT. 때의 자연 스러운 분극에 온도 증가 퀴리 온도 (Tc), 상전이 입방 단계를 발생 합니다. BT의 입방 단계에서 c가 /a = 1, 격자 왜곡을 편안 하 고 그것의 ferroelectricity는 격자의 반전 대칭에서 발생 하는 전기 중립성 때문에 손실 됩니다. 최근, 높은 온도 ferroelectric 재료의 사용을 확장 했다. 그러나, BT의 Tc 는 상대적으로 낮은 (~130 ° C) 및 대량 BT 이러한 요구를 충족 하지 않습니다.
BT의 Tc 를 늘리려면 ferroelectric (정방) 단계 hetero-인터페이스에 긴장의 적용으로 안정 되었습니다. 예를 들어 최 외. epitaxially GdScO3 (110) 및 격자 불일치1기인 biaxial 압축 변형 사용 DyScO3 (110) 기판에 성장 하는 BT 영화의 ferroelectricity 향상. 그러나, Tc 의 증가 장치 응용 프로그램에 대 한 실용적인 매우 박막 (나노미터 두께의 수만)2,3, 제한 됩니다.
긴장 이완을 방지 하면서 BT 필름 두께 증가, 초격자 (매우 얇은 층의 주기 구조) 및 3 차원 (3D) hetero-nanostructures 개발 되었습니다. 해 링 턴 외. BT와 Sm2O3 의 수직 mesostructure 합성 그리고 긴장 이완 없이 마이크로미터 스케일 주문 두꺼운 필름. 이 샘플에서는 자연 스러운 분극은 BT 단위 셀;의 매치 확장으로 인하여 기판에 수직으로 지향된 따라서, 큰 나머지 편광 높은 온도에 유지 되었다 (즉., Tc 는 800 ° C 이상)4. 얻은 속성은 만족 스러운; 그러나, 복잡 하 고 비싼 물리적 과정 (펄스 레이저 증 착) 실용적인 응용 프로그램에 대 한 단점은 제작을 위해 필요 했다.
대체 저렴 하 고 손쉬운 제작 과정으로 서 우리는 제안한 3D 나노 복합 재료의 화학 합성 다공성 스트론튬 타이타늄 (SrTiO3, 향후 ST) 박막5의 숨 구멍으로 BT의 전조 솔루션의 도입 . 연구 결과, 다공성 세인트 박막 있는 계면 활성 제를 이용한 졸-겔 방법에 의해 합성 되었다는 자기 조립 amphipathic 계면 활성 제의 micelles 유기 템플릿6,7로 사용 되었다. 그림 1에서 개요로 메서드를 보여 줍니다. BT/세인트 hetero-인터페이스에 스트레인 bt ferroelectric 위상의 안정화로 이어지는 나노에 도입 획득된 세인트 박막 큰 표면적으로 복잡 한 3 차원 다공성 구조 때문에, (세인트의 Tc / BT 나노 230 ° C에 도달).
우리는 가설 다공성 수 직접 BT에 긴장을 소개 하 고 ferroelectric 속성의 열 안정성을 향상. 이 연구에서 우리 다공성 BT 조작 기 공 유도 된 긴장을 자세히 조사 하는 계면 활성 제를 이용한 졸-겔 방법 사용. 또한, 우리는 다공성 BT와 우리가 도입된 모 길쭉한 BT 결정 격자는 이방성 스트레인 유발 발견 nonporous 대량 BT. 사이의 열 안정성 비교. 이 효과 ferroelectric 위상 안정화에 대 한 유리한 수 있습니다. 여기에 사용 하는 합성 과정 매우 간단 하기 때문에, 3D hetero-nanostructures에 대 한 기존의 물리적 프로세스에 비해 장점이 있다.

<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

타이타늄 바 륨 (BaTiO3,이 BT)는 설립된 ferroelectric 물자는 1940 년대에 처음 발견 하 고 아직도 널리 이용 되는 그것의 균형 ferroelectricity, 조, 및 유 전체 상수 이다. 또한, BT는 어떤 독성 요소를 포함 하지 않습니다. 따라서, 리드 zirconate 타이타늄 (압)에 대 한 보충으로 상당한 관심을 끌고있다는 환경 친화적인 소재로 간주 됩니다. 그러나, 대량 BT 잃는 약 130 ° C에서의 ferroelectricity, 따라서, 그것은 높은 온도에서 사용할 수 없습니다. 높은-온도 ferroelectric 자료에 대 한 수요 때문에 이전 연구에서 BT.에 ferroelectricity의 열 안정성을 강화 하는 것이 중요 하다, hetero-인터페이스에서 격자 불일치에서 발생 하는 긴장은 사용 되었습니다. 그러나,이 접근에 샘플 준비 실용적인 응용 프로그램에 대 한 바람직하지 않다는 복잡 하 고 비싼 물리적 프로세스를 요구 한다.
이 연구에서 우리는 긴장을 소개 하는 대체 수단으로 다공성 물자의 화학 합성을 제안 합니다. 우리 합성 계면 활성 제를 이용한 졸-겔 방법, 자기 조립된 amphipathic 계면 micelles 유기 템플릿으로 사용 되었다를 사용 하 여 다공성 BT 얇은 필름. 연구의 시리즈를 통해 우리가 명확히 숨 구멍의 도입 BT 결정 격자 hetero 인터페이스의 왜곡에 비슷한 영향을 미쳤다 향상 및 ferroelectricity의 안정화. 그것의 단순 하 고 비용 효율성 때문에 제조 공정이 기존의 방법에 비해 상당한 이점이 있다.

얻은 mesoporous BT 박막의 형태는 전자 현미경 검사 법에 의해 시험 되었다. 탑 뷰 SEM 이미지 합성된 BT 박막 (그림 2a)의 다공성 특징을 확인 했다. 깊이 방향으로 형태학 기능 단면 TEM 이미지 (그림 2b)으로 조사 되었다. 여러 수십 나노미터의 직경을 가진 큰 정자 세로로 누적 되었고 이러한 정자 사이 간격이 있었다 숨 구멍. BT 박막의 예상된 두께 약 200 nm.
BT 프레임 워크의 화도 광각 XRD 측정에 의해 시험 되었다. BaCO3 과 티 오2 의 매우 약한 피크 감지 되었고 눈에 띄는 봉우리 BT 결정에 할당할 수 명확 하 게 (그림 3a)를 관찰 했다. 그러나, 그것은 (ferroelectric) 사이 구별 하기 어려운 정방 및 입방 단계 (paraelectric). 이 때문에 두 단계 전부의 XRD 패턴은 아주 비슷합니다. 주요 차이점은 피크 2θ 에 45 ° = 입방 단계 정방 단계에 대 한 분할. 본이 연구에서는 이러한 분할의 탐지 다 자연 영화의 피크 폭 확대 때문에 곤란 했다. 따라서, 박막의 크리스탈 단계를 명확 하 게 그것의 라만 스펙트럼 측정 되었다 (그림 3b). 275, 305, 515, 그리고 720 cm− 1, 1(하), B1+E(TO + LO), E(TO)에 할당 했다 중심으로 봉우리를 보여주 실 온에서 대량 단일 BT 크리스탈의 라만 스펙트럼 +A 1 (하), E(LO) + 정방 단계9의A1(LO) 모드와. 다공성 BT 박막의 스펙트럼에서 A1(TO) 모드의 분할 발생, 비록 스펙트럼의 주요 특징 유지 했다. 따라서, 합성된 다공성 BT 박막 정방 이었다.
박막의 BT 프레임 워크에 긴장의 공간 분포는 빠른 푸리에 변환 매핑 (FFTM) 방법10에 의해 시험 되었다. 이 방법을 분석 하 고 시각화 고해상도 (HR)의 FFT 패턴에 작은 왜곡-TEM 이미지. 그림 4 는 볼록 하 고 오목한 표면 박막의 영역의 시간-가장 이미지와 해당 FFTM 이미지를 묘사. 볼록한 지역에서 [1-10] 방향의 FFTM 이미지는 바깥쪽으로 볼록한 표면 약간 확장 되었다, 격자 이완 발생 하 고 ferroelectricity를 약화 배열을 밝혔다. 반대로, 표면 바로 아래 지역 했다 압축 하 고 압축된 영역 프레임 워크 내부 완전히 관찰 했다. 이 결과 표면 나타내는 이전 보고서와 일치 하는 BT의 나노 입자 내부 코어는 ferroelectric 정방 단계11,12paraelectric 입방 단계를 기능. BT 프레임 워크 내에서 일부 확장된 지역 꼬임 및 결정 입자 경계 (그림 4c)에서 주로 또한 찾아냈다. 오목한 영역에 대 한 비록 바깥쪽 표면 변형 되었다 명확 하 게 관찰 하지, 표면 다각형 보다는 프레임 워크 내에서 곡선된, 압축 때문에 가능성이 되었습니다 (그림 4 d)를 감지. 반대로,의 FFTM 이미지는 [11-1] 볼록 하 고 오목한 영역에 방향 했다 불분명 (그림 4e, f), 제안 하는이 방향에서 BT 단위 셀의 약간 변형 했다.
더 양적 BT 격자의 변형 검사, 변형 정도 히스토그램 (그림 5)에 요약 되었다. 이 히스토그램에서 우리는 "변형 비율", 변형의 조치로 대상 및 기준 지역에 인접 한 격자 간격 사이의 거리의 비로 정의 되는 결정. 에 [11-1], 히스토그램 1.00의 변형 비율에서 집중 되었다 방향과 볼록 하 고 오목한 영역에 대 한 거의 대칭 이었다. 이 결과에서 약간 변형 했음을 나타냅니다는 [11-1] 방향, 위에서 언급 한 FFTM의 결과와 일치. 반대로, [1-10] 방향에 대 한 히스토그램 표시 영역 압축 변형 BT 박막에 증가 약 0.99의 변형 비율에 표시 된 봉우리를 포함.
Ferroelectric 정방 위상의 열 안정성의 라만 스펙트럼 (그림 6)의 온도 의존에서 시험 되었다. 대량 BT 단 결정에서 305와 720 cm− 1 에 날카로운 봉우리 대량 BT (~ 130 ° C)의 Tc 와 일치 하는 140 ° C에서 사라졌다. 반대로, 정방 단계에서 710 cm− 1 에서 피크는 합성된 다공성 박막에 대 한 375 ° c까지 감지 훨씬 더 높은 온도에서 남아 있었다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> 그림 1: 계면 활성 제를 이용한 졸-겔 방법의 회로도 이미지. 자기 집합 amphipathic 계면 micelles의 템플릿으로 사용 되었다. 결합 하 여 유기 템플릿과 무기 솔, 유기/무기 하이브리드가 만들어집니다. 마지막으로, calcination 유기 서식 파일을 제거 하 고 crystallizing 무기 프레임 워크에 의해 숨 구멍을 만들 실시 했다. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> 그림 2: mesoporous BT 박막의 전자 현미경 이미지. (는) 탑 뷰 SEM 및 (b) 단면 TEM 이미지. 이 그림에서 스즈키, 북 아 일 외. 수정 되었습니다. 13 (CC에서) 크리에이 티브 코몬즈 저작자 표시 라이센스에 따라. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> 그림 3: mesoporous BT의 크리스탈 단계에 대 한 분 광 데이터 박막. (한) 광각 XRD 패턴 및 (b)는 합성된 다공성 BT의 라만 스펙트럼 실 온에서 영화 얇은. 대량 BT 단 결정의 스펙트럼 참조에 대 한 포함 되어 있습니다. 이 그림에서 스즈키, 북 아 일 외. 수정 되었습니다. 13 (CC에서) 크리에이 티브 코몬즈 저작자 표시 라이센스에 따라. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> 그림 4: 다공성 유도 된 긴장의 시각화. (a, b) 고해상도 가장 이미지와 (c f) 빠른 푸리에 변환 (FFTM) 이미지 (a, c, e)의 볼록 영역과 (b, d, f) 오목 BT 박막의 매핑. FFTM의 방향 (c, d) [1-10] 그리고 (e, f) [11-1] 이미지. FFTM 이미지에서 녹색 및 빨간색 영역 지역을 어디 압축 및 인장 변형 적용, 각각, 노란색 참조 영역을 나타냅니다 나타냅니다. 분석을 위해 사용 하는 방향 또한 포함 된다 (왼쪽). 이 그림에서 스즈키, 북 아 일 외. 수정 되었습니다. 13 (CC에서) 크리에이 티브 코몬즈 저작자 표시 라이센스에 따라. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> 그림 5: 다공성 유도 스트레인의 분석. (A) 볼록 분석 왜곡의 히스토그램 (그림 4a, 그림 4 c및 그림 4e) 다공성 BT의 (b) 오목 (그림 4b, 그림 4, 그림 4 층) 영역 얇은 필름. 이 그림에서 스즈키, 명. et al.수정 된13 (CC에서) 크리에이 티브 코몬즈 저작자 표시 라이센스에 따라. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> 그림 6: ferroelectric 단계의 열 안정성. 온도 의존성 (는) 대량 BT 단 결정 및 (b)는 합성된 다공성 BT의 라만 스펙트럼의 얇은 필름. 이 그림에서 스즈키, 북 아 일 외. 수정 되었습니다. 13  (CC에서) 크리에이 티브 코몬즈 저작자 표시 라이센스에 따라. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</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

여기, 우리 자기 조립된 amphipathic 계면 micelles 유기 템플릿으로 사용 되는 계면 활성 제를 이용한 졸-겔 방법으로 다공성 바 륨 (BaTiO3) 타이타늄 박막의 합성에 대 한 프로토콜을 제시.

바 륨 다공성 타이타늄 박막 및 다공성 유도 된 긴장에 의해 Ferroelectric 단계의 열 안정화의 화학 합성

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

합성 및 크로마토 그래피에 대한 최적의 고정상의 양이 선택의 참여 Iodoaziridines의 정화

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

연구

화학

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

포스 포의 향상된 농축을위한 거대 다공성 고분자 모노리스에 다공성 조정 폴리머 코팅의 제조

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

이온 성 액체에 의해 매개 1,6- Ketoesters의 높은 입체 선택적 합성 : 저 분자량 젤 레이터의 새로운 클래스에 빠른 액세스를 가능하게하는 3 요소 반응

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

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

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

원자 층 증착을 통해 게르마늄에 페 로브 스카이 스트론튬 티탄의 에피 택셜 성장

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

합성 및 루 테 늄 기반 미토 콘 드리 아 칼슘 통풍 관 억제 물의 평가

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

[4.4] Spirocyclic Oximes의 고체 상 합성

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

박막 백금 매크로 및 마이크로 전극의 전기 화학 적 거칠기

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

나노 다공성 양극 산화 알루미늄및 그 특성화에 의한 철 나노 와이어 제조

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