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. stöddes ekonomiskt av Japan Society för den befordran av vetenskap (JSPS) bidrag för vetenskaplig forskning (KAKENHI) (Grant nr 26810126). Y. Y. är tacksam för den Deanship av vetenskapliga forskningen, King Saud University för grundandet genom Deanship av vetenskaplig forskning viceordföranden.
Vidvinkel XRD mätningar genomfördes på anläggningen i Nano-behandling, stöd av Innovation-öka utrustning gemensamt (IBEC) Innovation plattform, Institutet för avancerad industriell vetenskap och teknik (AIST), Japan. Raman spectra mätning och TEM observation av den porösa tunn filmen genomfördes av HORIBA TECHNO SERVICE Co., Ltd. och Foundation för främjande av materialvetenskap och teknik i Japan (MST), respektive. MST genomförde också visualisering av stammen från TEM bilder. Vi tackar Andrew Jackson, PhD, från Edanz-gruppen (www.edanzediting.com/ac) för att redigera ett utkast till detta manuskript.

1. beredning av föregångare lösning
<ol><li>Lös 50 mg diblock sampolymer PS(18000) -b-PEO(7500) i 1,5 mL tetrahydrofuran vid 40 ° C. Cool polymer lösningen till rumstemperatur (RT).</li>
	<li>Lös 127,7 mg barium acetat i 830 µL av ättiksyra genom omrörning vid 40 ° C för 5 min. Cool barium acetat lösningen RT. lägga till 170 mg Titan butoxid till barium Acetat lösning och rör reaktionsblandningen för 1 min.</li>
	<li>Lägg till polymer lösningen till barium Acetat lösning droppvis.</li>
</ol>2. Sammanfattning av Mesoporous Barium Titanate tunn Film
<ol><li>Ange Si/SiOx/Ti/Pt substratet (2 cm × 2 cm) på scenen av en spin-bestrykare och släpp beredda föregångare lösningen för att helt täcka underlaget. Obs: Filmtjockleken av SiOx, Ti och Pt skikt var cirka 1,6, 40 och 150 nm, respektive.</li>
	<li>Snurra Si/SiOx/Ti/Pt substratet på 500 rpm för 5 s (steg 1), och sedan 3000 rpm för 30 s (steg 2), successivt.</li>
	<li>Placera som förberedda filmen på en värmeplatta och värm den till 120 ° C i 5 min för åldrande och låt den svalna till rumstemperatur (RT) naturligt.</li>
	<li>Placera glödgad filmen i en muffelugn och kalcinerad i luft vid 800 ° C i ca 10 min med en ramp på 1 ° C/min (för både värme och kyla).</li>
</ol>3. karakterisering
<ol><li>Morfologiska och röntgenkristallografisk karaktärisering
	<ol>
<li>
Scanning electron microscopy (SEM) mätning
		<ol>
<li>Lägga provet på prov scenen och täcker hörnen med carbon band fixar provet. Justera höjden på provhållaren.</li>
			<li>Ställa in provhållaren i lastning spö och infoga den på positionen SEM. provhållaren i hemläget på ett avstånd av 8 mm.</li>
			<li>Ange att accelerera spänning och utsläpp nuvarande till 5 KV och 10 mA och generera en elektronstråle. Visa hela bilden av provet vid låg förstoring. Flytta scenen för att visa en region av intresse (ROI) och fokus på bilden.</li>
			<li>Öka förstoringen till 50, 000 X. Fokusera på porerna och observera den porösa morfologin. När en lämplig bild observeras, spara en bild.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Överföring elektronmikroskopi (TEM) mätning
		<ol>
<li>Förbereda en tvärsnitts preparat före TEM mätning som beskrivs i steg 3.3.1.</li>
			<li>Ställ in beredda preparatet i provhållaren. Ange att accelerera spänning till 300 KV och generera en elektronstråle. Infoga innehavaren att TEM.</li>
			<li>Visa hela bilden av provet vid låg förstoring. Flytta scenen för att visa ROI och fokusera på bilden.</li>
			<li>Öka förstoringen till 250, 000 X. Fokusera på prov och observera den porösa morfologin av den syntetiserade tunn filmen (~200 nm i tjocklek). När en lämplig bild observeras, spara en bild.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Vidvinkel röntgendiffraktion (XRD) mätning
		<ol>
<li>Ställa in en röntgendiffraktometer utrustad med en Cu Kα källa.</li>
			<li>Placera provet i mitten av provet scenen.</li>
			<li>Justera z-axeln (dvs., höjdposition) av scenen där provet blockerar halvan av incident röntgen. Justera sedan ω-axeln (dvs., betande vinkel) att göra provet ytan parallellt med röntgen.</li>
			<li>Upprepa steg 3.1.3.3 tills provet scenen positionen blir lämplig (dvs., prov ytan ligger i centrum av X-ray balk och parallellt med röntgen).</li>
			<li>Fixa ω till en liten vinkel (t.ex., 0,5 °), och sedan skanna 2θ (dvs., detektor vinkel) från 20 ° till 70 ° med en hastighet av 1 ° / min. Spara data efter mätningen. Obs: För att undertrycka den bakgrund signalen från underlaget, inkommande röntgen bestrålats vid en mycket liten betande vinkel till syntetiserade tunn filmens yta.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Test för termisk stabilitet av ferroelektrisk fas
	<ol>
<li>Slå på mikroskopet Raman och operativa datorn, och sedan öppna programvaran operativa LabSpec. Klicka på Autokalibrering för att kalibrera maskinen.</li>
		<li>Ange en glasskiva på en värme scen, och sedan lägga syntetiserade filmen på glaset. Stäng luckan till scenen.</li>
		<li>Provet uppvärms med en värme fas med en ramp förhållandet mellan 15 ° C/min. När temperaturen når måltemperaturen, upp värme att hålla denna temperatur och vänta några minuter. Obs: I denna studie vi valt RT och 50, 75, 100, 110, 120, 125, 130, 135, 140 och 150 ° C för bulk BT, som har en Curie-temperatur på cirka 130 ° C. Vi valt temperaturer RT 75, 125, 175, 225, 275, 325, 375, 425, 475 och 525 ° C för mesoporous BT tunn film, som utvärderades Curie temperaturen vara ca 470 ° C från en tidigare studie8.</li>
		<li>Efter temperaturen stabiliserar, mäta Raman spectra vid olika temperaturer med en confocal Raman Mikroskop med hjälp av ett 300 µm confocal hål och en 532-nm laser (10 mW på prov) för magnetisering. Klicka på ikonen Video för att Visa observerade bilden, och sedan fokusera på bilden. Ställ in förvärv tid och ansamlingar till 100 s och 3, respektive, och klicka sedan på åtgärd ikonen för att starta mätningen. Spara data efter mätningen.</li>
		<li>Fortsätta mätningarna tills spektrum ändras (dvs., topparna assignable till fasen ferroelektrisk försvinner). Obs: Mätningar genomfördes på tre punkter och erhållna spektra var i genomsnitt.</li>
	</ol></li>
	<li>Visualisering av stammen
	<ol>
<li>Förbereda en tvärsnitts provbit från den syntetiserade tunn filmen genom mikro provtagningsmetod med en fokuserad ion beam för perifer fräsning, botten och mikro-bron skära och gallring av preparatet. Preparatets storlek bör vara cirka 20 µm i längd och 4 µm i tjocklek.</li>
		<li>Mäta högupplösta överföring elektronmikroskopi (HR-TEM) bilder (2 000, 000 X) med konvexa och konkava ytor som induceras av porositeten.</li>
		<li>Välj ett område (512 × 512 pixlar) för fast Fouriertransform (FFT), och beräkna FFT mönstret. Uppskatta galler avståndet från FFT mönstret och dela det med stam-fri galler avståndet att beräkna ”deformation ratio”.</li>
		<li>Skifta regionen FFT analys av 32 pixlar, och upprepa steg 3.3.3. Fortsätt tills hela området av HR-TEM bilden täcks (i denna studie, 5 664 × 5 664 pixel (162 × 162 Poäng)). Obs: Stam-fri galler avståndet uppskattades från den minst förvrängda FFT-bilden.</li>
		<li>Ange färg för regioner baserat på Beräknad deformation förhållandet att visualisera stammen. Se histogram genom att räkna förhållandet deformation. Obs: Deformation i HR-TEM bilder utfördes med programvaran CryStMapp.</li>
		<li>
Skapa en detaljerad histogram med hjälp av programvaran Igor Pro Obs: Eftersom den snedvridning som erhölls i steg 3.3.5 histogrammet är grov, skapas en detaljerad histogram med hjälp av programvaran Igor Pro.<ol>
<li>Läsa in numeriska data av förhållandet deformation genom att välja Data | Ladda vågor | Load allmänna Text och spara den som en våg med korrekt namn. Obs: Igor Pro definierar objektet inklusive en numerisk array som en våg.</li>
			<li>Ändra sparade vågen som en matris (162 × 162) genom att välja Data | Förändring Wave skalning.</li>
			<li>Visa en våg som 2D-bild genom att välja bild | Nya | Bild Prot.</li>
			<li>Välj analys | Paket | Bildbehandling att visa bild -menyn.</li>
			<li>Välj bild | ROI att visa ROI panel. Välj Starta ROI Rita att välja ROI. Rita regionen ovanpå en bild, och välj sedan Avsluta ROI.</li>
			<li>Välj Spara ROI kopia att skapa masken för att markera området för analys som ROI_M_Mask våg.</li>
			<li>Ingång ”ImageHistogram/R = M_ROIMASK / S waveneame” på kommandoraden i kommandofönstret att göra ett histogram. Använd det namn som angetts i steg 3.3.6.1 i wavename.</li>
			<li>Mata in ”Visa W_ImageHist” på kommandoraden i kommandofönstret att visa ett histogram. Ändra diagrammet om det behövs.</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>

Författarna har något att avslöja.

Uppdelning av på A1(TO) läget i Raman spectrumen av en porös BT tunn film (figur 3b) härstammar från tryckkraft stam. Den här funktionen observerades tydligt av metoden FFTM (figur 4) och dess anisotropy i [1-10] riktning bestämdes från histogrammet av distorsion (figur 5). Tryckkraft stam längs [1-10] riktning har en liknande effekt inducera biaxiell tryckkraft stam i (001) ytan, som förstärker ferroelectricity i BT1. Porösa driven Anisotrop stam förlänger det crystal gallret mot c-axeln, orsakar ytterligare luxerad Ti4 + från mitten av gallret. Denna dislokation förväntas öka den elektriska dipolmoment, som i sin tur förbättrar dess ferro (piezo) el. Piezoelectricity av en mesoporous BT film är faktiskt bättre än en icke-porös film8.
Den stam som induceras i BT crystal gallret stabiliserar den förvrängda tetragonala fasen. Således är den termiska stabiliteten av gallret förväntas förbättras. Raman spectrumen av den porösa BT tunn film visade tetragonala fas ursprung toppen (vid 710 cm−1) förblev synlig tills 375 ° C, även om toppen blev gradvis svagare och bredare (figur 6b). Denna trend var liknande som finns i en tidigare studie, där de Tc uppskattades till 470 ° C8. Således bekräftat vi antagandet att por-driven stammen i BT tunna filmen effektivt termiskt stabiliserad fasen tetragonal.
Genom denna studie förtydligat vi att por-inducerad stam bildas av en enkel och billig kemisk procedur har en liknande effekt som stam på en hetero-gränssnitt som härstammar från lattice mismatch. Dessa fynd ger nya insikter i stam engineering.

Barium titanate (BaTiO3, härefter BT) är en typisk perovskit-typ ferroelektrisk material. Även om dess ferroelektrisk egenskaper upptäcktes på 1940-talet, är det fortfarande allmänt används idag på grund av dess välbalanserade ferroelektrisk och piezoelektriska svar och gynnsamma Dielektricitetskonstant. Dessutom eftersom BT är en blyfri, miljövänliga material, har lockat till sig stort intresse som en ersättning för bly zirconat titanate (PZT). Vid rumstemperatur, fasen crystal BT är tetragonal, där förhållandet mellan c och ett galler parametrar (c/en) är inte lika med 1. I tetragonala fas, BT väven blir en aning utdragna mot c-axeln och katjoner (Ba2 +, Ti4 +) och anjoner (O2−) är fördrivna i motsatta riktningar. Denna förskjutning resultat i den spontana polariseringen av BT. När temperaturen ökar till Curie temperaturen (Tc), en fasövergång till fasen cubic uppstår. I kubik fasen av BT, som har c/en = 1, lattice snedvridning är avslappnad och dess ferroelectricity går förlorade på grund av elektriska neutralitet med ursprung från inversion symmetrin av gallret. Nyligen, användning av hög temperatur ferroelektrisk material har expanderat. Tc för BT är dock relativt låg (~130 ° C) och bulk BT inte uppfyller dessa krav.
För att öka Tc för BT, stabiliserats fasen ferroelektrisk (tetragonala) genom tillämpning av påfrestning vid hetero-gränssnittet. Choi et al. fördjupat ferroelectricity BT filmer epitaxially odlas på GdScO3 (110) och DyScO3 (110) substrat med hjälp av biaxiell tryckkraft påfrestningar orsakade av galler mismatch1. Ökningen av Tc är dock begränsad till mycket tunna filmer (tiotals nanometer tjock)2,3, vilket är opraktiskt för enheten program.
För att öka den BT filmtjockleken samtidigt förhindra stam avkoppling, har superlattice (periodisk struktur av mycket tunna lager) och tredimensionella (3D) hetero-nanostrukturer utvecklats. Harrington et al. syntetiseras en vertikal mesostructure av BT och Sm2O3 och erhålls en mikrometer-skala-beställt tjockfilm utan stam avkoppling. I det här exemplet är spontana polarisering orienterade vinkelrätt mot underlaget på grund av enaxiella expansion av cellen BT enhet; således en stor kvarleva polarisering bibehölls vid hög temperatur (dvs., Tc var större än 800 ° C)4. De erhållna egenskaperna var tillfredsställande. dock krävdes en komplicerad och dyr fysisk process (Pulsade-laser deposition) för tillverkning, vilket är en nackdel för praktiska tillämpningar.
Som en alternativ lättköpt och billig fabrication process, har vi föreslagit den kemiska syntesen av 3D nanokompositer genom införandet av en föregångare lösning av BT in i porerna i en porös strontium titanate (SrTiO3, härefter ST) tunn film5 . I studien, porösa ST tunna filmen var syntetiseras av ett ytaktivt ämne-assisterad sol-gel-metoden, där den självmontering amfipatiska tensid miceller användes som en ekologisk mall6,7. Metoden illustreras schematiskt i figur 1. Eftersom den erhållna ST tunn filmen har en komplex 3D porös struktur med en stor yta, stam på BT/ST hetero-gränssnittet introduceras i den nanocomposite, leder till stabiliseringen av den ferroelektriska fasen av BT ( Tc för ST / BT nanocomposite nått 230 ° C).
Vi hade en hypotes som porositet kunde direkt införa stam i BT och förbättra den termiska stabiliteten i ferroelektrisk boenden. I denna studie använde vi en tensid-assisterad sol-gel metod att fabricera porösa BT och granska den por-inducerad stammen. Dessutom jämförde vi termisk stabilitet mellan porösa BT och nonporous bulk BT. Vi hittade att introducerade porerna inducerade en Anisotrop stam, som avlånga det BT crystal gallret. Denna effekt kan vara gynnsamma för att stabilisera den ferroelektriska fasen. Eftersom syntesprocessen används här är mycket enkel, har fördelar jämfört med konventionella fysikaliska processer för 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 (BaTiO3, härefter BT) är en etablerad ferroelektrisk material först upptäcktes på 1940-talet och fortfarande används på grund av dess välbalanserade ferroelectricity och piezoelektricitet Dielektricitetskonstant. Dessutom innehåller BT inte några giftiga ämnen. Därför anses det vara en eco-vänliga material, som har väckt stort intresse som en ersättning för bly zirconat titanate (PZT). Men bulk BT förlorar dess ferroelectricity vid ca 130 ° C, därmed, det kan inte användas vid höga temperaturer. På grund av den växande efterfrågan på hög temperatur ferroelektrisk material, är det viktigt att öka den termiska stabiliteten av ferroelectricity i BT. i tidigare studier, stam med ursprung från den gitter obalansen på hetero-gränssnitt har använts. Provberedningen i detta tillvägagångssätt kräver dock komplicerade och dyra fysiska processer, vilket är önskvärt för praktiska tillämpningar.
I denna studie föreslår vi en kemisk syntes av ett poröst material som ett alternativt sätt att införa stam. Vi syntetiseras en porös BT tunn film med en tensid-assisterad sol-gel metod, där själv monterade amfipatiska tensid miceller användes som en ekologisk mall. Genom en serie av studier klargjorde vi att införandet av porerna hade en liknande effekt på snedvrider det BT crystal gallret, som av en hetero-gränssnitt, leder till förstärkning och stabilisering av ferroelectricity. På grund av dess enkelhet och kostnad-effektivitet har detta tillverkningsprocessen betydande fördelar jämfört med konventionella metoder.

Morfologi av den erhållna mesoporous BT tunn filmen undersöktes med elektronmikroskopi. En top-view SEM-bild bekräftade porösa funktioner i den syntetiserade BT tunn filmen (figur 2a). De morfologiska egenskaper i djup riktning undersöktes med en tvärsnitts TEM bild (figur 2b). Stora crystallites med diametrar av flera tiotals nanometer var vertikalt staplade och klyftorna mellan dessa crystallites porer. Beräknade tjockleken på BT tunna filmen var cirka 200 nm.
Kristallinitet av ramen för BT undersöktes av vidvinkel XRD mätningar. Mycket svag topparna av BaCO3 och TiO2 var detekterbar och framstående toppar assignable till BT kristaller observerades tydligt (figur 3a). Det var dock svårt att skilja mellan den (ferroelektrisk) tetragonala och (paraelectric) kubisk faser. Detta beror på att de XRD mönster av båda faserna är ganska lika. Den största skillnaden är att toppen vid 2θ = 45 ° för fasen kubik är delad för fasen tetragonal. I denna studie var påvisande av sådan delning svårt eftersom polykristallina natur av filmen breddat toppens bredd. Således, för att förtydliga den crystal fasen av tunna filmen, dess Raman spektrum mättes (figur 3b). Raman spectrumen av en bulk enda BT kristall i rumstemperatur visade toppar centrerad på 275, 305, 515 och 720 cm−1, som tilldelades till A1(till), B1+E(till + LO), E(TO) +A 1 (Till), och E(LO) +A1(LO) lägen av tetragonal fas9. I spectrumen av den porösa BT tunn filmen, även om uppdelning av på A1(TO) läge uppstod, behölls huvuddragen i spektrumet. Således var den syntetiserade porösa BT tunn filmen tetragonal.
Den rumsliga fördelningen av stammen i BT ramen för tunna filmen undersöktes av fast Fourier transform mappning (FFTM) metod10. Denna metod analyserar och visualiserar tiny snedvridningar i FFT mönster av högupplösta (HR)-TEM bilder. Figur 4 illustrerar HR-TEM bilder av områden av en tunn film med konvexa och konkava ytor och de motsvarande FFTM bilderna. FFTM bilden av [1-10] riktningen i en konvex område visade att den yttersta konvexa ytan något utökades, ett arrangemang som bör orsaka galler avkoppling och försvagar ferroelectricity. Omvänt, områdena strax under ytan var komprimerad och de komprimera områdena observerades helt inuti ramen. Detta resultat överensstämmer med tidigare rapporter som tyder på ytan av BT nanopartiklar har en paraelectric kubikmeter fas, medan den inre kärnan är en ferroelektrisk tetragonala fas11,12. Inom ramen för BT hittades också vissa utökade områden, främst på kinks eller korngränserna (figur 4 c). För konkava områden, även om deformeringen av yttersta ytan inte observerades tydligt, sannolikt eftersom ytan var polygonal snarare än böjda, komprimering inom ramen var upptäckt (figur 4 d). Omvänt, FFTM bilderna av den [11 - 1] riktning i båda konvexa och konkava områdena var oklart (figur 4e, f), vilket tyder på att det fanns liten deformation av cellen BT enhet i denna riktning.
För att undersöka deformeringen av BT väven mer kvantitativt, var graden av deformation sammanfattas i histogram (figur 5). Från dessa histogram bestämde vi ”deformation ratio”, som definieras som förhållandet mellan avståndet mellan intilliggande galler avstånd i målet och referens, som ett mått på deformation. I den [11 - 1] riktning, histogram var centrerad i förhållandet deformation 1,00 och var nästan symmetriska för såväl konkava som konvexa områden. Detta resultat visar att det fanns lite stam i den [11 - 1] riktning, överensstämmer med resultaten av FFTM som nämns ovan. Däremot innehöll histogrammen för [1-10] riktningen markerade toppar i deformation förhållandet ca 0,99, Visar området där tryckkraft stam ökade i BT tunn film.
Termisk stabilitet fasen ferroelektrisk tetragonala undersöktes från temperaturberoendet av dess Raman spektrum (figur 6). I en bulk BT enda kristall försvann vassa topparna på 305 och 720 cm−1 vid 140 ° C, vilket är förenligt med Tc för bulk BT (~ 130 ° C). Däremot förblev toppen vid 710 cm−1 från tetragonala fas vid mycket högre temperaturer, detekterbart upp till 375 ° C för den syntetiserade porös tunnfilmsteknik.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig1.jpg"> Figur 1: Schematisk bild av tensiden-assisterad sol-gel metod. Självmontering användes av amfipatiska tensid miceller som mall. Genom att kombinera det organiska-mall och oorganiska sol, skapas en ekologisk/oorganiska hybrid. Slutligen, kalcinering genomfördes för att skapa porer genom att ta bort mallen organiska och utkristalliseras oorganiska ramen. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3.jpg"> Figur 2: elektronmikroskop bild av mesoporous BT tunn film. (en) Top-view SEM och (b) tvärsnitts TEM bild. Denna siffra har ändrats från Suzuki, N. et al. 13 enligt licensen Creative Commons Attribution (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig2v3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig3.jpg"> Figur 3: spektroskopiska data för crystal fas av mesoporous BT thin film. (en) vidvinkel XRD mönster och (b) Raman spektrum av syntetiserade porösa BT tunn film vid rumstemperatur. Spectrumen av en bulk BT enda kristall ingår också för referens. Denna siffra har ändrats från Suzuki, N. et al. 13 enligt licensen Creative Commons Attribution (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2.jpg"> Figur 4: visualisering av porositet-inducerad stam. (a, b) Högupplösta TEM bilder och (c-f) fast Fourier transform mappning (FFTM) bilder av (a, c, e) konvex och (b, d, f) konkav områden BT tunna filmer. Riktlinjerna från FFTM bilder finns (c, d) [1 – 10] och (e, f) [11-1]. FFTM bilderna representerar gröna och röda områden områden där tryckkraft och draghållfasthet påfrestning tillämpas, respektive, medan gul visar referensområdet. Den orientering som används för analysen ingår också (vänster). Denna siffra har ändrats från Suzuki, N. et al. 13 enligt licensen Creative Commons Attribution (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig4v2large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig5.jpg"> Figur 5: analys av porositet-inducerad stam. Histogram för snedvridning som analyseras i a konvex (figur 4a, figur 4 c, och figur 4e) och (b) konkav (figur 4b, figur 4 d, figur 4f) områden i den porösa BT tunn film. Denna siffra har ändrats från Suzuki, N. et al.13 i enlighet med licensen Creative Commons Attribution (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57441/57441fig6.jpg"> Figur 6: termisk stabilitet av ferroelektrisk fas. Temperaturberoendet av Raman spektrumet av (en) en bulk BT enda kristall och (b), ett syntetiskt porösa BT tunn film. Denna siffra har ändrats från Suzuki, N. et al. 13  i enlighet med licensen Creative Commons Attribution (CC BY). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57441/57441fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Här presenterar vi ett protokoll för syntesen av porösa barium titanate (BaTiO3) tunn film av ett ytaktivt ämne-assisterad sol-gel metod, där själv monterade amfipatiska tensid miceller används som en ekologisk mall.

Kemisk syntes av porösa Barium Titanate tunn Film och termisk stabilisering av ferroelektrisk fas av porositet-inducerad stam

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

Syntes och rening av Iodoaziridines avseende kvantitativa valet av det optimala stationär fas för 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

Framställning av mycket porösa samordningspolymerbeläggningar på Makroporösa polymermonoliter för Enhanced Anrikning av fosfopeptider

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

Mycket stereoselektiv syntes av 1,6-ketoestrar medierad av joniska lösningar: En tre-komponent Reaktion möjliggör snabb tillgång till en ny klass av lågmolekylära 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

Syntes och reaktionskemi av nanostorlek Mono 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

Syntes och karakterisering av Supramolekylära 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

Epitaxiell tillväxt av Perovskite strontiumtitanat på Germanium via Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and ...

Synthesis and Evaluation of a Ruthenium-based Mitochondrial Calcium Uptake Inhibitor

Syntes och utvärdering av en rutenium-baserade mitokondriell kalcium upptag-hämmare

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

Fasta fasen syntes av [4.4] gröna 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

Elektrokemisk grov bearbetning av thin-film Platinum makro och Mikroelektroder

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

Järn Nanowire tillverkning av Nano-porös anodiserad aluminium och dess karakterisering

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