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. ble økonomisk støttet av Japan Society for fremme av vitenskap (JSPER) Grant-in-Aid for vitenskapelig forskning (KAKENHI) (Grant nr. 26810126). Y. Y. er takknemlig til Deanship av vitenskapelig forskning, King Saud University for grunnleggelsen gjennom Vice Deanship av vitenskapelig forskning stoler.
Vidvinkel XRD målinger ble utført på Nano behandling anlegget, støttet av innovasjon som øker utstyr felles (IBEC) innovasjon plattform, National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan. Raman spectra måling og TEM observasjon av den porøse tynnfilm ble utført av HORIBA TECHNO SERVICE co, Ltd og grunnlaget for fremme av materiale vitenskap og teknologi i Japan (MST), henholdsvis. MST også gjennomført visualisering av belastningen fra TEM bilder. Vi takker Andrew Jackson, PhD, fra Edanz gruppe (www.edanzediting.com/ac) for å redigere et utkast av dette manuskriptet.

1. forberedelse av forløperen løsning
<ol><li>Oppløse 50 mg diblock copolymer PS(18000) -b-PEO(7500) i 1,5 mL av tetrahydrofuran på 40 ° C. Cool polymer løsningen til romtemperatur (RT).</li>
	<li>Oppløse 127.7 mg av barium acetate på 830 µL av eddiksyre ved røring ved 40 ° C i 5 min. Cool barium acetate løsningen RT. legge 170 mg Titan butoxide til barium acetate løsning og røre reaksjonsblandingen for 1 min.</li>
	<li>Legge polymer løsningen til barium acetate løsningen dropwise.</li>
</ol>2. syntese av Mesoporous Barium Titanate tynn Film
<ol><li>Angi Si/SiOx/Ti/Pt substrat (2 cm x 2 cm) på scenen av en spin-coater og slipp forberedt forløper løsningen å dekke helt underlaget. Merk: Filmen tykkelsen av SiOx, Ti og Pt lag var ca 1,6, 40 og 150 nm, henholdsvis.</li>
	<li>Spin Si/SiOxTi/Pt underlaget på 500 rpm for 5 s (1 trinn), og deretter 3000 rpm for 30 s (2 trinn), suksessivt.</li>
	<li>Plasser som forberedt filmen på en kokeplate og varme den 120 ° c i 5 min for aldring, så la den avkjøles til romtemperatur (RT) naturlig.</li>
	<li>Plass glødet filmen dempe ovn og calcinar i luften på 800 ° C i 10 min med en rampe rate av 1 ° C/min (for både oppvarming og kjøling).</li>
</ol>3. karakterisering
<ol><li>Morfologiske og krystallografisk karakteristikk
	<ol>
<li>
Skanning elektronmikroskop (SEM) måling
		<ol>
<li>Prøven oppføre prøven scenen og dekke hjørnene med karbon bånd å fikse prøven. Juste høyden av prøven holderen.</li>
			<li>Angi eksempel abonnenten i lessing stang og sett den til SEM. posisjon eksempel abonnenten i utgangsstillingen Archimede arbeider 8 mm.</li>
			<li>Angi akselererer spenning og utslipp gjeldende 5 KV og 10 mA og generere en elektronstråle. Vis hele bildet av prøven lav forstørrelse. Flytte scenen for å vise et område av interesse (ROI) og fokus på bildet.</li>
			<li>Øke forstørrelsen til 50, 000 X. Fokus på porene og observere porøse morfologi. Når et passende bilde er observert, kan du lagre et bilde.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Overføring elektronmikroskop (TEM) måling
		<ol>
<li>Klargjør en cross-sectional prøve før TEM målingen som beskrevet i trinn 3.3.1.</li>
			<li>Angi forberedt prøven i prøven holderen. Angi akselererende spenning til 300 KV og generere en elektronstråle. Sett holderen til TEM.</li>
			<li>Vis hele bildet av prøven lav forstørrelse. Flytte scenen for å vise avkastning og fokusere på bildet.</li>
			<li>Øke forstørrelsen til 250, 000 X. Fokuser på prøven og observere porøse morfologi av den syntetiserte tynnfilm (~200 nm i tykkelse). Når et passende bilde er observert, kan du lagre et bilde.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Vidvinkel X-ray Diffraksjon (XRD) måling
		<ol>
<li>Definere X-ray diffractometer utstyrt med en Cu Kα kilde.</li>
			<li>La prøven på midten av utvalg scenen.</li>
			<li>Justere z-aksen (dvs., høyde posisjon) av scenen der utvalget blokkerer halvparten av hendelsen X-ray. Juster deretter ω-aksen (dvs., beite vinkel) å prøve overflaten parallelt X-ray.</li>
			<li>Gjenta trinn 3.1.3.3 til utvalg scenen posisjon blir egnet (dvs., prøve overflaten ligger i sentrum av røntgenbilde stråle og parallelt røntgen).</li>
			<li>Fastsette ω til en liten vinkel (f.eks., 0,5 °), og deretter skanne 2θ (dvs., detektor vinkel) fra 20 ° til 70 ° med en hastighet på 1 ° / min. lagre dataene etter måling. Merk: For å undertrykke bakgrunn signalet fra underlaget, innkommende røntgenstråler ble bestrålt i svært liten beite vinkel syntetisert tynn filmens overflaten.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Teste for termisk stabilitet ferroelectric fase
	<ol>
<li>Slå på mikroskopet Raman og opererer datamaskinen, og deretter åpne operativsystemet programvare LabSpec. Klikk Auto Calibration for å kalibrere maskinen.</li>
		<li>Angi et glass lysbilde på en oppvarming scene, og deretter sette syntetisert filmen på glasset. Steng av scenen.</li>
		<li>Varme prøven med en oppvarming scene med rampen forholdet 15 ° C/min. Når temperaturen når ønsket temperatur, satte oppvarming scenen å holde denne temperaturen og vent noen minutter. Merk: I denne studien vi valgt RT og 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140 og 150 ° C for bulk BT, som har en Curie temperatur på ca 130 ° C. Vi valgte temperaturer på RT og 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 og 525 ° C i mesoporous BT tynn film, som Curie temperaturen ble vurdert til å være ca 470 ° C fra en tidligere studie8.</li>
		<li>Etter at temperaturen stabiliserer seg, måle Raman spectra ved forskjellige temperaturer med AC confocal Raman mikroskop med 300-µm AC confocal hull og en 532 nm laser (10 mW på prøven) for eksitasjon. Klikk på Video -ikonet for å vise observert bildet, og deretter fokusere på bildet. Angi oppkjøp og ansamlinger 100 s og 3, henholdsvis, og klikk deretter mål -ikonet for å starte målingen. Lagre dataene etter måling.</li>
		<li>Fortsett målene til endres spektrum (dvs., toppene overdras til ferroelectric fase forsvinner). Merk: Målingene ble gjennomført på tre punkter og til innhentet spectra var gjennomsnitt.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualisering av belastningen
	<ol>
<li>Klargjør en cross-sectional prøve fra syntetisert tynn film av en mikro sampling metoden bruker en fokusert ion stråle for eksterne fresing, bunnen og mikro-broen klipping og fortynning av prøven. Den prøven størrelsen skal være ca 20 µm i lengde og 4 µm tykkelse.</li>
		<li>Måle høyoppløselige elektronmikroskop (HR-TEM) bilder (2000, 000 X) på konvekse og konkave overflater av porøsitet.</li>
		<li>Velg et område (512 × 512 piksler) for rask Fourier transform (FFT), og beregne FFT mønsteret. Anslå gitter avstanden fra FFT mønster, og dele det med belastning uten gitter avstanden til å beregne "deformasjon ratio".</li>
		<li>Skifte regionen for FFT-analyse av 32 piksler, og gjenta trinn 3.3.3. Fortsett denne prosessen inntil hele området av HR-TEM bildet er dekket (i denne studien, 5,664 × 5,664 pixel (162 × 162 poeng)). Merk: Belastning uten gitter avstanden ble anslått fra minst forvrengt FFT bildet.</li>
		<li>Angi fargen på områder basert på den beregnede deformasjon forholdet visualisere belastningen. Lage histogrammer ved å telle deformasjon forholdet. Merk: Analyse av deformasjon i HR-TEM bilder ble gjennomført med programvare CryStMapp.</li>
		<li>
Opprette et detaljert histogram med programvaren Igor Pro Merk: Ettersom histogrammet av forvrengningen fikk i trinn 3.3.5 er grovt, opprettes et detaljert histogram ved hjelp av programvaren Igor Pro.<ol>
<li>Laste inn numeriske data deformasjon forholdet ved å velge Data | Laste bølger | Last generelt tekst og lagre det som en bølge med egennavn. Merk: Igor Pro definerer objektet inkludert en numerisk matrise som en bølge.</li>
			<li>Endre den lagrede bølgen som en matrise (162 × 162) ved å velge Data | Endre Wave skalering.</li>
			<li>Vise en bølge som 2D-bilde ved å velge bilde | Ny | Bilde beskytte.</li>
			<li>Velg analyse | Pakker | Bildebehandling å vise bildemenyen .</li>
			<li>Velg bilde | Avkastning å vise ROI-panelet. Velg Start ROI trekke velge avkastning. Tegne regionen på et bilde, og velg deretter Ferdig avkastning.</li>
			<li>Velg Lagre ROI kopi for å opprette masken for å velge området for analyse som ROI_M_Mask bølge.</li>
			<li>Input "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" inne kommandoen line på kommandovinduet å gjøre et histogram. Bruke navnet angitt i trinn 3.3.6.1 i wavename.</li>
			<li>Input "Vis W_ImageHist" inne kommandoen line på kommandovinduet til å vise et histogram. Endre grafen, hvis nødvendig.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>

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

Forfatterne ikke avsløre.

Deling av A1(TO)-modus i Raman spektrum av en porøs BT tynn film (figur 3b) stammer fra kompresjons belastning. Denne funksjonen ble tydelig observert av metoden FFTM (Figur 4) og dens anisotropy i [1-10] retning var bestemt fra histogrammet av forvrengning (figur 5). Kompresjons belastning [1-10] retning har en lignende effekt for å indusere biaxial kompresjons belastning i (001) overflaten, som forsterker ferroelectricity i BT-1. Porøse drevet Anisotrop belastning elongates krystall gitterverk mot c-akse, forårsaker ytterligere forvridning av Ti4 + fra midten av gitteret. Dette forvridning forventes å øke elektrisk dipol øyeblikket, som i sin tur forbedrer sin ferro (piezo) elektrisitet. Piezoelectricity en mesoporous BT film er faktisk bedre enn en ikke-porøs filmen8.
Belastningen indusert i BT krystall gitterverk stabiliserer forvrengt tetragonal fasen. Dermed forventes termisk stabilitet i gitteret å bli forbedret. Raman spekteret av den porøse BT tynnfilm viste tetragonal fase opprinnelse toppen (på 710 cm−1) forble synlig til 375 ° C, selv om toppen ble gradvis svakere og bredere (figur 6b). Denne trenden var lik som en tidligere studie, som Tc ble anslått til 470 ° C8. Derfor bekreftet vi at pore-drevet belastningen i BT tynnfilm effektivt thermally stabiliseres tetragonal fasen.
Gjennom denne studien avklart vi at pore-indusert belastning dannet av en enkel og rimelig kjemiske fremgangsmåte har en lignende effekt som belastning på en hetero-grensesnitt fra gitteret feil. Disse funnene gi romanen innsikt i belastning engineering.

Barium titanate (BaTiO3heretter BT) er en typisk perovskite-type ferroelectric materiale. Selv om egenskapene ferroelectric ble oppdaget i 1940, er det fortsatt mye brukt i dag på grunn av sin godt balansert ferroelectric og piezoelektrisk svar og gunstige dielektrisk konstant. Videre BT er en blyfri, miljøvennlig materiale, har den tiltrukket stor interesse som en erstatning for bly zirconate titanate (PZT). I romtemperatur, crystal fasen av BT er tetragonal, hvor forholdet mellom c og en gitteret parametere (c/en) er ikke lik 1. I tetragonal fase, BT gitteret er litt avlang mot c-akse og kasjoner (Ba2 +, Ti4 +) og anioner (O2−) fordrevne i motsatt retning. Denne forskyvning resultater i spontan polarisering av BT. når temperaturen øker til Curie temperatur (Tc), en fase overgang til kubikk fase. I den kubiske fasen av BT, som har c/en = 1, gitter forvrengning er avslappet, og dens ferroelectricity er tapt på grunn av den elektriske nøytraliteten stammer fra inversjon symmetrien i gitteret. Nylig, bruk av høy temperatur ferroelectric materialer har utvidet. Men Tc BT er relativt lav (~130 ° C) og bulk BT ikke oppfyller disse kravene.
For å øke Tc BT, har ferroelectric (tetragonal) fasen stabilisert ved anvendelse av press på hetero-grensesnittet. For eksempel forbedret Choi et al. ferroelectricity BT filmer epitaxially dyrket på GdScO3 (110) og DyScO3 (110) underlag gjennom bruk av biaxial kompresjons belastning forårsaket av gitteret feil1. Men er økningen av Tc begrenset til svært tynne filmer (tens nanometer tykk)2,3, som er upraktisk for enhet søknader.
For å øke BT filmen tykkelsen mens forebygge belastning avslapning, har superlattice (periodiske struktur av svært tynt lag) og tredimensjonale (3D) hetero-nanostrukturer blitt utviklet. Harrington et al. syntetisert en loddrett mesostructure BT og Sm2O3 og fikk en mikrometer-skala-bestilte tykk film uten belastning avslapning. I dette eksemplet er spontane polarisering orientert vinkelrett underlaget på grunn av uniaxial utvidelse av BT enhet cellen; Således, en stor rest polarisering ble opprettholdt ved høy temperatur (dvs., Tc var større enn 800 ° C)4. Innhentet egenskapene var tilfredsstillende; men var en komplisert og kostbar fysisk prosess (pulsed laser deponering) nødvendig for fabrikasjon, som er en ulempe for praktiske anvendelser.
Som et alternativ lettvinte og billig fabrikasjon prosessen, har vi foreslått syntese av 3D nanocomposites innføringen av en forløper løsning av BT i porene av en porøs strontium titanate (SrTiO3, heretter ST) tynn film5 . I studien, den porøse ST tynnfilm ble syntetisert av en surfactant-assistert sol-gel-metode, der den selv-montering av amphipathic surfactant micelles ble brukt som en organisk mal6,7. Metoden er illustrert skjematisk i figur 1. Fordi den fått ST tynn filmen har en kompleks 3D porøs struktur med et stort område, belastning på BT/ST hetero-grensesnittet er introdusert i nanocomposite, fører til stabilisering av den ferroelectric fasen av BT ( Tc av m / BT nanocomposite nådde 230 ° C).
Vi hypotesen at porøsitet kunne direkte innføre belastning i BT og forbedre termisk stabilitet ferroelectric egenskaper. I denne studien brukte vi surfactant-assistert sol-gel metode å dikte porøse BT og granske pore-indusert belastningen. Dessuten, sammenlignet vi temperaturstabilitet mellom porøse BT og nonporous bulk BT. vi fant at introdusert porene indusert en Anisotrop belastning, som langstrakte BT krystall gitter. Denne effekten kan være gunstig for stabilisere ferroelectric fasen. Synteseprosessen som brukes her er veldig enkel, har det fordeler fremfor konvensjonelle fysiske prosesser for 3D hetero-nanostrukturer.

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

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

Barium titanate (BaTiO3heretter BT) er et etablert ferroelectric materiale først oppdaget i 1940 og fremdeles mye brukt på grunn av sin godt balansert ferroelectricity, piezoelectricity og dielektrisk konstant. I tillegg inneholder BT ikke noen giftige elementer. Derfor anses det å være en miljøvennlig materiale, som har tiltrukket seg betydelig interesse som en erstatning for bly zirconate titanate (PZT). Men bulk BT mister sin ferroelectricity på ca 130 ° C, dermed kan ikke brukes ved høye temperaturer. På grunn av den økende etterspørselen for høy temperatur ferroelectric materialer, er det viktig å forbedre ferroelectricity i BT. i tidligere studier termisk stabilitet, belastning fra gitteret misforholdet på hetero-grensesnitt har blitt brukt. Eksempel utarbeidelsen i denne tilnærmingen krever imidlertid komplisert og kostbar fysiske prosesser, som er ønskelig for praktiske anvendelser.
I denne studien foreslår vi en syntese av et porøst materiale som en alternativ måte å innføre belastning. Vi syntetisert en porøs BT tynn film med en surfactant-assistert sol-gel metode, der selv montert amphipathic surfactant micelles ble brukt som en organisk mal. Gjennom en rekke studier avklart vi at innføringen av porene hadde en lignende effekt på forvrenger BT krystall gitter, som i en hetero-grensesnitt, og fører til ekstrautstyr og stabilisering av ferroelectricity. På grunn av sin enkelhet og kostnadene effektivitet har fabrikasjon prosessen betydelige fordeler fremfor konvensjonelle metoder.

Morfologi av innhentet mesoporous BT tynn filmen ble undersøkt av elektronmikroskop. En topp-Vis SEM bilde bekreftet porøse funksjonene i den syntetiserte BT tynnfilm (figur 2a). Den morfologiske funksjoner i dybden retning ble undersøkt med en cross-sectional TEM bilde (figur 2b). Store crystallites med diameter på flere titalls nanometer var vertikalt stablet, og gapene mellom disse crystallites var porene. Anslått tykkelsen på BT tynnfilm var ca 200 nm.
Crystallinity av BT framework ble undersøkt av vidvinkel XRD målinger. Veldig svak topper BaCO3 og TiO2 var synlig og fremtredende topper tilordnes til BT krystaller var tydelig observert (figur 3a). Men det var vanskelig å skille mellom (Ferroelektrika) tetragonal og (paraelectric) kubikk faser. Dette er fordi XRD mønstre av begge fasene er ganske like. Hovedforskjellen er at høyden på 2θ = 45 ° for kubikk fasen er delt for tetragonal fase. I denne studien var påvisning av slik deling vanskelig fordi polycrystalline natur filmen utvidet peak bredden. Dermed for å avklare krystall fasen av tynne filmen spekteret sin Raman ble målt (figur 3b). Raman spekteret av bulk én BT krystall ved romtemperatur viste topper sentrert på 275, 305, 515 og 720 cm−1, som ble tilordnet A1(til), B1+E(til + LO) E(TO) +A 1 (TO), og E(LO) +A1(LO) moduser av tetragonal fase9. I spekteret av porøse BT tynn film, selv om deling av A1(TO)-modus skjedde, ble hovedtrekkene i spekteret beholdt. Dermed var den syntetiserte porøse BT tynnfilm tetragonal.
Den romlige fordelingen av belastningen i BT rammen av tynne filmen ble undersøkt av rask Fourier transform kartlegging (FFTM) metoden10. Denne metoden analyserer og visualiserer lille skjevheter i FFT mønstre av høy oppløsning (HR)-TEM bilder. Figur 4 viser HR-TEM bilder av områder av tynne filmen med konvekse og konkave flater og tilsvarende FFTM bilder. FFTM bildet av [1-10] retning i en konveks området avslørte at den ytterste konveks overflaten ble litt utvidet, en ordning som bør føre gitter avslapning og svekker ferroelectricity. Derimot områdene like under overflaten ble komprimert, og komprimerte områdene ble observert helt inne rammen. Dette resultatet er i samsvar med tidligere rapporter som angir overflaten av BT nanopartikler har en paraelectric kubikk fase, mens den indre kjernen er en ferroelectric tetragonal fase11,12. Innenfor BT rammen, ble noen utvidet områder også funnet, hovedsakelig på kinks og/eller kornet grenser (Figur 4 c). For konkave områder, deformasjon av ytterste overflaten ikke var tydelig observert, sannsynligvis fordi overflaten var mangekantet buet, komprimering innenfor rammen var oppdaget (Figur 4 d). Derimot FFTM bilder av den [11 - 1] retning i begge konvekse og konkave områdene var uklart (figur 4e, f), antyder at det var lite deformasjon av BT enhet cellen i denne retningen.
For å undersøke deformasjon av BT gitteret mer kvantitativt, ble graden av deformasjon oppsummert i histogrammer (figur 5). Fra disse histogrammer bestemt vi "deformasjon ratio", som er definert som forholdet mellom avstanden mellom tilstøtende gitter avstand i målet og referanse, som et mål på deformasjon. I den [11 - 1] retning, histogrammer var sentrert i deformasjon forholdet 1.00 og var nesten symmetrisk for både konvekse og konkave områder. Resultatet indikerer at det var liten belastning i det [11 - 1] retning, konsekvent med resultatene av FFTM nevnt ovenfor. Derimot inneholdt histogrammer for [1-10] retningen merket topper på deformasjon forholdet ca 0,99, viser området der kompresjons belastning økt i BT tynn filmen.
Termisk stabilitet av ferroelectric tetragonal fasen ble undersøkt fra temperatur avhengigheten av sine Raman spektrum (figur 6). I bulk BT én krystall forsvant skarpe toppene på 305 og 720 cm−1 på 140 ° C, som er i samsvar med Tc bulk BT (~ 130 ° C). Derimot forble toppen på 710 cm−1 fra tetragonal fase på mye høyere temperaturer, synlig opp til 375 ° C for syntetisert porøse tynn film.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figur 1: skjematisk bilde av surfactant-assistert sol-gel metoden. Selvstendig montering ble av amphipathic surfactant micelles brukt som en mal. Ved å kombinere den organiske-mal og uorganiske sol, opprettes en organisk/uorganiske hybrid. Til slutt, calcination ble gjennomført for å opprette porene ved å fjerne malen organisk og bandets uorganiske rammen. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figur 2: elektronmikroskop bildet av mesoporous BT tynnfilm. (en) oversiden SEM og (b) cross-sectional TEM bilde. Dette tallet har blitt endret fra Suzuki, N. et al. 13 i henhold til lisensen Creative Commons Attribution (kopi av). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figur 3: spektroskopiske data for crystal fase av mesoporous BT tynn film. (en) vidvinkel XRD mønster og (b) Raman spekteret av den syntetiserte porøse BT tynn film ved romtemperatur. Spekteret av bulk BT én krystall er også inkludert for referanse. Dette tallet har blitt endret fra Suzuki, N. et al. 13 i henhold til lisensen Creative Commons Attribution (kopi av). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figur 4: visualisering av porøsitet-indusert belastning. (a, b) Høy oppløsning TEM bilder og (c-f) rask Fourier transform kartlegging (FFTM) bilder av (a, c, e) konvekse og (b, d, f) konkave områder av BT tynne filmer. Retningene av FFTM bilder er (c, d) [1-10] og (e, f) [11-1]. FFTM bilder representerer grønne og røde områder områder der kompresjons og strekk belastning brukes, henholdsvis, mens gul indikerer referanseområdet. Retningen brukes for analyse er også inkludert (til venstre). Dette tallet har blitt endret fra Suzuki, N. et al. 13 i henhold til lisensen Creative Commons Attribution (kopi av). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figur 5: analyse av porøsitet-indusert belastning. Histogram for forvrengning analysert i (a) konveks (figur 4a, Figur 4 c, og figur 4e) og (b) konkav (figur 4b, Figur 4 d, figur 4f) områder av det porøse BT tynn film. Dette tallet har blitt endret fra Suzuki, N. et al.13 i henhold til lisensen Creative Commons Attribution (kopi av). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figur 6: termisk stabilitet ferroelectric fase. Temperatur avhengighet av Raman spekteret (en) en bulk BT én krystall og (b) en syntetisk porøse BT tynn film. Dette tallet har blitt endret fra Suzuki, N. et al. 13  i henhold til lisensen Creative Commons Attribution (kopi av). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

Her presenterer vi en protokoll for syntese av porøse barium titanate (BaTiO3) tynn film av en surfactant-assistert sol-gel metode, der selv montert amphipathic surfactant micelles brukes som en organisk mal.

Syntese av porøse Barium Titanate tynn Film og termisk stabilisering av Ferroelectric fase av porøsitet-indusert stamme

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Syntese og rensing av Iodoaziridines Involvering Kvantitativ Valg av Optimal stasjonær fase for Kromatografi

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

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

Utarbeidelse av svært porøs Coordination Polymer Belegg på macroporous Polymer Monoliths for økt berikelse av fosforpeptidene

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

Høyt stereoselektiv syntese av 1,6-ketoestere formidlet av ioniske væsker: A Tre-komponent Reaction Aktivere rask tilgang til en ny klasse av lavmolekylære Gelators

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

Synthesis and Reaction Chemistry of Nanosize Monosodium Titanate

Syntese og reaksjon Kjemi til 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

Syntese og karakterisering av supra 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

Epitaxial Vekst av Perovskite strontium titanate på Germanium via Atomic Layer Nedfall

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

Syntese og evaluering av en Ruthenium-baserte mitokondrie kalsium opptak hemmer

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

Solid-phase Synthesis of [4.4] Spirocyclic Oximes

Solid-fase syntese av [4.4] Spirocyclic Oximes

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

Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes

Elektrokjemiske Roughening av Thin-Film Platinum makro og Microelectrodes

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

Iron Nanowire fabrikasjon av nano-porøse anodisert aluminium og karakterisering

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