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. foi apoiado financeiramente pela sociedade do Japão para o promoção da ciência (JSPS) subsídio para pesquisa científica (KAKENHI) (Grant no. 26810126). Y. Y. é grato para o Deanship de investigação científica, rei Saud Universidade para fundar através de Deanship Vice de cadeiras de pesquisa científica.
Realizaram-se medições de XRD grande angular à instalação de processamento de Nano, apoiado pela inovação-impulsionar equipamentos comuns (IBEC) inovação plataforma, Instituto Nacional para ciência e Industrial avançada tecnologia (AIST), Japão. Medição de espectros Raman e TEM observação do filme fino poroso foi conduzida por HORIBA TECHNO SERVICE co., Ltd. e a Fundação para a promoção de Material de ciência e tecnologia do Japão (MST), respectivamente. MST também conduziu a visualização da estirpe de imagens TEM. Agradecemos Andrew Jackson, PhD, do grupo de Emilia (www.edanzediting.com/ac) para a edição de um projecto deste manuscrito.

1. preparação da solução de Precursor
<ol><li>Dissolver 50 mg de diblock copolímero PS(18000) -b-PEO(7500) em 1,5 mL de tetrahidrofurano a 40 ° C. Legal a solução de polímero à temperatura (RT).</li>
	<li>Dissolver 127,7 mg de acetato de bário em 830 µ l de ácido acético por agitação a 40 ° C por 5 min. esfriar a solução de acetato de bário para RT. adicionar 170 mg de butóxido de titânio para a solução de acetato de bário e agitar a mistura de reação por 1 min.</li>
	<li>Adicione a solução de polímero para a solução de acetato de bário, gota a gota.</li>
</ol>2. síntese de película fina de titanato de bário mesoporos
<ol><li>Definir o Si/SiOx/Ti/Pt substrato (2 cm x 2 cm) no palco de um spin-revestidor e soltar a solução preparada precursor para cobrir inteiramente o substrato. Nota: A espessura de SiOxTi e Pt camadas eram aproximadamente 1,6, 40 e 150 nm, respectivamente.</li>
	<li>Girar o Si/SiOx/Ti/Pt substrato a 500 rpm por 5 s (1ª etapa) e em seguida a 3.000 rpm por 30 s (2ª etapa), sucessivamente.</li>
	<li>Coloque o filme como preparado num prato quente e aquecê-la a 120 ° C por 5 min para envelhecimento e, em seguida, deixe-a esfriar a temperatura ambiente (RT) naturalmente.</li>
	<li>Coloque o filme recozido em um forno de mufla e calcina no ar a 800 ° C por 10 min com uma taxa de rampa de 1 ° C/min (tanto para aquecimento e arrefecimento).</li>
</ol>3. caracterização
<ol><li>Caracterização morfológica e cristalográfica
	<ol>
<li>
Microscopia eletrônica de varredura (MEV) medição de digitalização
		<ol>
<li>Colocar a amostra na fase de amostra e cobrir os cantos com fitas de carbono para fixar a amostra. Ajuste a altura do porta-amostras.</li>
			<li>Conjunto porta-amostras em uma haste de carregamento e inseri-lo na posição de SEM. o titular da amostra na posição de repouso a uma distância de trabalho de 8 mm.</li>
			<li>Definir acelerando a tensão e corrente de emissão de 5 KV e 10 mA e gerar um feixe de elétrons. Exibir a imagem inteira da amostra em baixa ampliação. Mova o palco para mostrar uma região de interesse (ROI) e foco na imagem.</li>
			<li>Aumentar a ampliação para 50, 000 X. Focar os poros e observar a morfologia porosa. Quando uma imagem adequada é observada, salve uma imagem.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Medição de microscopia eletrônica (TEM) de transmissão
		<ol>
<li>Prepare uma amostra transversal antes da medição da temperatura conforme descrito na etapa 3.3.1.</li>
			<li>Defina a amostra preparada no porta-amostra. Definir a tensão para aceleração de 300 KV e gerar um feixe de elétrons. Inserir o titular para a temperatura.</li>
			<li>Exibir a imagem inteira da amostra em baixa ampliação. Mova o palco para mostrar o ROI e focar a imagem.</li>
			<li>Aumentar a ampliação de 250, 000 X. Concentrar a amostra e observar a morfologia porosa do filme fino sintetizado (~200 nm de espessura). Quando uma imagem adequada é observada, salve uma imagem.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Medição de grande angular difração de raios x (XRD)
		<ol>
<li>Configure o Difratômetro de raios-x, equipado com uma fonte de Cu Kα.</li>
			<li>Colocar a amostra no centro do palco a amostra.</li>
			<li>Ajuste do eixo z (i. e., posição da altura) da fase em que a amostra bloqueia a metade do incidente raio-x. Em seguida, ajustar o eixo-ω (IE., ângulo pastando) para fazer com que a superfície da amostra paralela ao raio-x.</li>
			<li>Repita a etapa 3.1.3.3 até a posição de fase de amostra torna-se adequado (i. e., a superfície da amostra está localizada no centro do feixe de raios-x e paralelo ao raio-x).</li>
			<li>Corrigir ω para um ângulo pequeno (ex., 0,5 °) e depois digitalizar 2 θ (IE., ângulo de detector) de 20 ° a 70 ° com uma taxa de 1 ° / min., salvar os dados após a medição. Nota: Para suprimir o sinal de fundo do substrato, raios-x de entrada foram irradiados em um muito pequeno ângulo pastando à superfície do filme fino sintetizada.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Ensaio de estabilidade térmica da fase ferroelétrica
	<ol>
<li>Ligue o microscópio Raman e o funcionamento do computador e, em seguida, em seguida, abra o software operacional LabSpec. Clique em Autocalibração para calibrar o aparelho.</li>
		<li>Definir uma lâmina de vidro em uma fase de aquecimento e em seguida, colocar o filme sintetizado no vidro. Feche a tampa do palco.</li>
		<li>Aquece a amostra com uma fase de aquecimento, usando uma proporção de rampa de 15 ° C/min. Quando a temperatura atinge a temperatura-alvo, defina a fase de aquecimento para manter esta temperatura e espere alguns minutos. Nota: Neste estudo, nós selecionamos RT e 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140 e 150 ° C para o BT em massa, que tem uma temperatura de Curie de cerca de 130 ° C. Nós selecionamos as temperaturas de RT e 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 e 525 ° C para a película fina mesoporos BT, para o qual a temperatura de Curie foi avaliada para ser aproximadamente 470 ° C de um anterior de estudo8.</li>
		<li>Depois que a temperatura se estabilize, medir espectros Raman a diferentes temperaturas com um microscópio Raman confocal usando um buraco confocal 300 µm e 532 nm laser (10 mW na amostra) para a excitação. Clique no ícone de vídeo para exibir a imagem observada e então focar a imagem. Definir tempo de aquisição e acumulação de 100 s e 3, respectivamente e clique em ícone de medida para iniciar a medição. Salve os dados após a medição.</li>
		<li>Continuar as medições até as mudanças de espectro (i. e., os picos pode ser atribuídos à fase ferroelétrica desaparece). Nota: As medições foram realizadas em três pontos e os espectros obtidos foram em média.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualização da estirpe
	<ol>
<li>Prepare uma amostra transversal do filme fino sintetizada por um método de amostragem micro usando um feixe de íon focalizado para fresamento periférico, fundo e microponte corte e desbaste do espécime. Tamanho da amostra deve ser aproximadamente de 20 µm de comprimento e 4 µm de espessura.</li>
		<li>Imagens de microscopia eletrônica (HR-TEM) de transmissão de alta resolução (2.000, 000 X) em superfícies côncavas e convexas induzidas pela porosidade de medir.</li>
		<li>Selecione uma área (512 × 512 pixels) para rápida de Fourier (FFT) e calcular o padrão FFT. Estimar o espaçamento de treliça no padrão de FFT e divida-o pelo espaçamento livre de tensão da estrutura para calcular a "taxa de deformação".</li>
		<li>Mudança da região de análise FFT por 32 pixels e repita o passo 3.3.3. Continue esse processo até que toda a área da imagem HR-TEM é coberta (no presente estudo, 5.664 × 5.664 pixel (162 × 162 pontos)). Nota: O espaçamento livre de tensão da estrutura foi estimado a partir a imagem FFT menos distorcida.</li>
		<li>Defina a cor das regiões com base na relação de deformação calculado para visualizar a tensão. Fazer os histogramas contando a relação de deformação. Nota: Análise da deformação em imagens HR-TEM foi realizado com o software CryStMapp.</li>
		<li>
Criar um histograma detalhado usando o software Igor Pro Nota: Porque o histograma da distorção obtido na etapa 3.3.5 é duro, é criado um histograma detalhado usando o software Igor Pro.<ol>
<li>Carregar os dados numéricos da relação de deformação, selecionando dados | Carregar as ondas | Carga geral texto e salve-o como uma onda , com nome próprio. Nota: Igor Pro define o objeto incluindo uma matriz numérica como uma onda.</li>
			<li>Alterar a onda salva como uma matriz (162 × 162) selecionando dados | Dimensionamento de onda de mudança.</li>
			<li>Exibir uma onda como 2D imagem selecionando imagem | Novo | Prot de imagem.</li>
			<li>Selecione análise | Pacotes | Processamento de imagem para mostrar o menu imagem .</li>
			<li>Selecione a imagem de | ROI para mostrar o painel ROI. Selecione Iniciar ROI desenhar para selecionar o ROI. Desenhar a região no topo de uma imagem e selecione Terminar ROI.</li>
			<li>Selecione Salvar cópia de ROI para criar a máscara para selecionar a área para análise como onda ROI_M_Mask.</li>
			<li>Entrada "ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame" na linha de comando da janela de comando para fazer um histograma. Use o nome definido na etapa 3.3.6.1 em wavename.</li>
			<li>Entrada "Exibir W_ImageHist" na linha de comando da janela de comando para mostrar um histograma. Modifica o gráfico, se necessário.</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>

Os autores não têm nada para divulgar.

A divisão do modo1(TO) Ado espectro Raman de uma película fina porosa BT (Figura 3b) origina-se tensão compressiva. Esse recurso foi claramente observado pelo método FFTM (Figura 4) e sua anisotropia na direção [1-10] foi determinada a partir do histograma de distorção (Figura 5). Tensão compressiva ao longo da direção [1-10] tem um efeito semelhante de induzir tensão compressiva biaxial na superfície (001), que aumenta a Ferroeletricidade em BT1. Estirpe anisotrópica conduzido porosa alonga o lattice de cristal em direção a c-eixo, causando ainda mais luxação de Ti4 + no centro da treliça. Esta luxação é esperada para aumentar o momento de dipolo elétrico, que por sua vez, aumenta sua eletricidade de ferro (piezo). Com efeito, a piezoeletricidade de um filme de BT mesoporoso é superior de um filme não-porosa8.
A tensão induzida na estrutura cristalina BT estabiliza a fase tetragonal distorcida. Assim, a estabilidade térmica da treliça deverá ser reforçada. O espectro Raman do poroso BT fino filme mostrou que a fase tetragonal origem pico (710 cm− 1) permaneceu visível até 375 ° C, embora o pico gradualmente tornou-se mais fraco e mais amplo (Figura 6b). Esta tendência foi semelhante ao encontrado em estudo anterior, em que o Tc foi estimada em 470 ° C8. Assim, confirmamos a suposição de que a tensão orientado a poro no filme fino BT efetivamente termicamente estabilizada a fase tetragonal.
Através deste estudo, podemos esclarecer que tensão induzida pelo poro formado por um processo químico simples e barato tem um efeito semelhante ao de tensão em uma interface de hétero originou-se a incompatibilidade da estrutura. Esses achados fornecem novos insights sobre Engenharia de estirpe.

Titanato de bário (Draomiro3, doravante BT) é um material de ferroelétrica perovskita-tipo típico. Apesar de suas propriedades ferroelétricos foram descobertas na década de 1940, é ainda amplamente utilizada hoje por causa de suas respostas piezoelétricas e ferroelétricos bem equilibradas e favorável constante dielétrica. Além disso, porque o BT é um material isento de chumbo, eco-friendly, que tem atraído grande interesse como uma recolocação para o Titanato zirconato de chumbo (PZT). À temperatura ambiente, a fase de cristal do BT é tetragonal, onde a proporção de c e um lattice de parâmetros (c/um) não é igual a 1. Na fase tetragonal, o retículo de BT é ligeiramente alongado na direção o c-eixo e cátions (Ba2 +, Ti4 +) e ânions (O2 −) são deslocados em direções opostas. Este resultados de deslocamento na polarização espontânea da BT. quando a temperatura aumenta com a temperatura de Curie (Tc), ocorre uma transição de fase à fase cúbica. Na fase cúbica de BT, que tem c/a = 1, a distorção do retículo está relaxada, e sua Ferroeletricidade é perdida devido a neutralidade elétrica proveniente da simetria de inversão da treliça. Recentemente, expandiu-se a utilização de materiais condutores de alta temperatura. No entanto, o Tc de BT é relativamente baixa (~130 ° C) e BT em massa não atender a essas demandas.
Para aumentar o Tc de BT, estabilizou-se a fase ferroelétrica (tetragonal) pela aplicação de tensão na hetero-interface. Por exemplo, Choi et al reforçada a Ferroeletricidade de BT filmes epitaxially crescida em GdScO3 (110) e substratos de3 (110) DyScO através do uso de tensão compressiva biaxial, causados por incompatibilidade da estrutura1. No entanto, o aumento de Tc é limitado a filmes muito finos (dezenas de nanômetros de espessura)2,3, que é impraticável para aplicativos de dispositivo.
Para aumentar a espessura da película de BT, evitando tensão relaxamento, EC (estrutura periódica de camadas muito finas) e tridimensional (3D) hetero-nanoestruturas foram desenvolvidos. Harrington et al sintetizado uma mesoestrutura vertical de BT e Sm2O3 e obteve uma película grossa micrômetro-escala-ordenou sem relaxamento de tensão. Neste exemplo, a polarização espontânea é orientado perpendicularmente ao substrato devido uniaxial expansão da célula unidade BT; assim, uma polarização remanescente grande foi mantida em alta temperatura (i. e., o Tc foi superior a 800 ° C)4. As propriedades obtidas foram satisfatórias; no entanto, um processo complicado e caro físico (deposição de laser pulsado) era necessário para a fabricação, que é um inconveniente para aplicações práticas.
Como um processo alternativo de fabricação fácil e barata, propusemos a síntese química de nanocompósitos 3D pela introdução de uma solução de precursor da BT nos poros de uma película fina de titanato (SrTiO3, doravante ST) estrôncio porosa5 . No estudo, a película fina porosa de ST foi sintetizada por um método sol-gel surfactante-assistida, no qual a auto-montagem de surfactante anfifílicos micelas foi usado como um modelo orgânico6,7. O método é ilustrado esquematicamente na Figura 1. Porque a película fina Obtida de ST tem uma complexa estrutura porosa 3D com uma grande área de superfície, tensão na BT/ST hétero-interface é introduzido o nanocompósitos, levando para a estabilização da fase ferroelétrica do BT (o Tc de ST / Nanocompósitos de BT chegaram a 230 ° C).
Formulamos a hipótese que porosidade diretamente pode apresentar tensão em BT e aumentar a estabilidade térmica das propriedades ferroelétricos. Neste estudo, usamos um método sol-gel surfactante assistida para fabricar BT porosa e examinar a tensão induzida no poro. Além disso, comparamos a estabilidade térmica entre BT porosa e não porosas granel BT encontramos que os poros introduzidos induziram uma variedade anisotrópica que alongada estrutura cristalina BT. Este efeito pode ser favorável para estabilizar a fase ferroelétrica. Porque o processo de síntese utilizado aqui é muito simples, tem vantagens sobre processos físicos convencionais para hetero-nanoestruturas 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

Titanato de bário (Draomiro3, doravante BT) é um material ferroelétrica estabelecido descoberto pela primeira vez na década de 1940 e ainda amplamente utilizada devido sua Ferroeletricidade equilibrada, piezoeletricidade e constante dielétrica. Além disso, a BT não contiver quaisquer elementos tóxicos. Portanto, ele é considerado um material eco-friendly, que tem atraído considerável interesse como um substituto para o Titanato zirconato de chumbo (PZT). No entanto, BT em massa perde sua Ferroeletricidade a cerca de 130 ° C, assim, não pode ser usado em altas temperaturas. Por causa da crescente demanda por materiais ferroelétricos de alta temperatura, é importante aumentar a estabilidade térmica de Ferroeletricidade em BT. em estudos anteriores, cepa proveniente a incompatibilidade de treliça no hetero-interfaces tem sido utilizada. No entanto, a preparação da amostra nesta abordagem requer processos físicos complicados e caros, que são indesejáveis para aplicações práticas.
Neste estudo, propomos uma síntese química de um material poroso como um meio alternativo de introdução de estirpe. Nós sintetizado uma película fina de BT porosa usando um método assistido por surfactante sol-gel, em que auto montado anfifílicos surfactante micelas foram usadas como um modelo orgânico. Através de uma série de estudos, nos esclareceu que a introdução de poros teve um efeito similar em distorcer a estrutura cristalina de BT, para que um hétero-interface, levando para a melhoria e estabilização de Ferroeletricidade. Devido à sua simplicidade e custo eficácia, este processo de fabricação tem consideráveis vantagens sobre os métodos convencionais.

A morfologia do filme fino obtidos mesoporos BT foi examinada por microscopia eletrônica. Uma imagem de SEM visão superior confirmou as características porosas da película fina da BT sintetizada (Figura 2a). As características morfológicas na direção de profundidade foram investigadas com uma imagem TEM seção transversal (Figura 2b). Cristalitos grandes com várias dezenas de nanômetros de diâmetro foram empilhados verticalmente, e as lacunas entre os cristalitos foram os poros. A espessura estimada do filme fino BT foi de aproximadamente 200 nm.
A cristalinidade do quadro de BT foi examinada por medições de XRD grande angular. Picos muito fracos de BaCO3 e TiO2 foram detectáveis e proeminentes picos pode ser atribuídos aos cristais de BT foram claramente observados (Figura 3a). No entanto, foi difícil de distinguir entre a (ferroelétricas) tetragonal e cúbicas fases (paraelectric). Isso ocorre porque os padrões de XRD de ambas as fases são bastante semelhantes. A principal diferença é que o pico em 2θ = 45 ° para a fase cúbica é dividida para a fase tetragonal. Neste estudo, a detecção de tal divisão foi difícil porque a natureza policristalino do filme ampliou a largura do pico. Assim, para esclarecer a fase de cristal do filme fino, seu espectro Raman foi medido (Figura 3b). O espectro Raman de um cristal de BT único em massa à temperatura mostrou picos centrados em 275, 305, 515 e 720 cm− 1, que foram designados para A1(a), B1+E(TO + LO), E(TO) +A 1 (TO) e E(LO) +Amodos de1(LO) da fase tetragonal.9. No espectro do filme fino BT poroso, embora a divisão do modo1(TO) Aocorreu, as principais características do espectro foram retidas. Assim, a sintetizado película fina porosa BT foi tetragonal.
A distribuição espacial da estirpe no quadro do filme fino de BT foi examinada pelo fast Fourier transform mapeamento (FFTM) método10. Esse método analisa e visualiza pequenas distorções nos padrões FFT de alta resolução (HR)-imagens de temperatura. A Figura 4 retrata HR-TEM imagens das áreas de filme fino com superfícies côncavas e convexas e as imagens FFTM correspondentes. A imagem FFTM da direção [1-10] em uma área convexa revelou que a superfície convexa ultraperiférica foi ligeiramente ampliado, um acordo que deve causar relaxation do lattice e enfraquece a Ferroeletricidade. Por outro lado, as áreas logo abaixo da superfície foram compactadas, e as comprimido áreas observaram-se inteiramente dentro do quadro. Este resultado é consistente com relatórios anteriores que indicam a superfície de BT nanopartículas possuem uma fase cúbica de paraelectric, enquanto o núcleo interno é uma fase tetragonal ferroelétrica11,12. No âmbito da BT, algumas áreas expandidas também foram encontradas, principalmente em dobras e/ou limites de grão (Figura 4C). Para áreas côncavas, embora a deformação da superfície mais externa não foi claramente observada, provavelmente porque a superfície era poligonal ao invés de curvada, compressão no âmbito foi detectada (Figura 4D). Por outro lado, as imagens FFTM do [1 - 11] direção em ambas as áreas convexas e côncavas eram pouco claras (Figura 4e, f), sugerindo que havia pouca deformação da célula unidade BT nesta direção.
Para examinar a deformação da treliça BT mais quantitativamente, o grau de deformação foi resumido em histogramas (Figura 5). Destes histogramas, determinamos a relação"deformação", que é definida como a razão da distância entre espaçamento adjacentes da estrutura nas áreas de alvo e referência, como uma medida de deformação. Na [1 - 11] direção, os histogramas foram centrados em uma relação de deformação de 1,00 e foram quase simétricos para áreas convexas e côncavas. Este resultado indica que houve pouca tensão na [1 - 11] direção, consistente com os resultados de FFTM mencionado acima. Por outro lado, os histogramas para a direção [1-10] continham picos marcados em uma relação de deformação de aproximadamente 0,99, mostrando a área onde a deformação compressiva aumentou na película fina de BT.
Analisou-se a estabilidade térmica da fase tetragonal ferroelétrica da dependência de temperatura de seu espectro Raman (Figura 6). Em um cristal único de BT em massa, os picos afiados no 305 e 720 cm− 1 desapareceram a 140 ° C, que é consistente com o Tc de BT em massa (~ 130 ° C). Por outro lado, o pico em 710 cm− 1 da fase tetragonal manteve-se em temperaturas muito mais altas, detectáveis acima de 375 ° C para a película fina porosa sintetizada.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figura 1: imagem esquemática do método sol-gel surfactante assistida. Self-assembly de micelas de surfactante anfifílicos foi usadas como um modelo. Combinando o sol modelo orgânico e inorgânico, é criado um híbrido orgânico/inorgânico. Finalmente, calcinação realizou-se para criar os poros, removendo o modelo orgânico e cristalizar a estrutura inorgânica. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figura 2: imagem de microscópio eletrônico de película fina de mesoporos BT. (a) vista superior SEM e (b) seção transversal TEM imagem. Esta figura foi modificada de Suzuki, s. et al . 13 de acordo com a licença Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figura 3: película fina de dados espectroscópicos para a fase de cristal de mesoporos BT. (um) grande angular XRD padrão e (b) espectro Raman do BT poroso sintetizado fina película à temperatura ambiente. O espectro de um cristal único de BT em massa também está incluído para referência. Esta figura foi modificada de Suzuki, s. et al . 13 de acordo com a licença Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figura 4: visualização de tensão induzida por porosidade. (a, b) De alta resolução TEM imagens e (c-f) transformação de Fourier rápido mapeamento (FFTM) imagens (a, c, e) convexas e (b, d, f) áreas côncavas de filmes finos de BT. As orientações do FFTM imagens são (c, d) [1-10] e (e, f) [11 1]. Nas imagens FFTM, áreas verdes e vermelhas representam as regiões onde tensão de compressão e tração são aplicadas, respectivamente, enquanto o amarelo indica que a área de referência. A orientação utilizada para a análise (à esquerda) também está incluída. Esta figura foi modificada de Suzuki, s. et al . 13 de acordo com a licença Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figura 5: análise de tensão induzida por porosidade. Histograma de distorção analisada no (a) convexo (figura 4a, Figura 4C, e Figura 4e) e áreas (b) côncavo (figura 4b, Figura 4 d, Figura 4f) da BT porosa fina película. Esta figura foi modificada de Suzuki, s. et al.13 em conformidade com a licença Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figura 6: estabilidade térmica da fase ferroelétrica. Dependência de temperatura do espectro Raman de (um) BT um volume único cristal e (b) um BT poroso sintetizado a película fina. Esta figura foi modificada de Suzuki, s. et al . 13  em conformidade com a licença Creative Commons Attribution (CC-BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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