Síntese de BaTiO₃ e Avaliação de Propriedades Ópticas

Os nanorods monocristalinos do titanate do bário do perovskite foram sintetizados com sucesso por um método hidrotermal. A síntese foi realizada usando o cloreto de bário e o tetracloreto do titânio como os materiais começar e o NaOH como o minerlizer, respectivamente. A estrutura de cristal, a morfologia e as propriedades ópticas dos nanorods foram caracterizadas pela difracção de Raio X (XRD), pelo Microscópio de Elétron da Exploração (SEM), pelo Microscópio de Elétron da Transmissão (TEM), pelo Ultravioleta (UV) e pelo Photoluminescence (PL). Os resultados de XRD sugeriram que os nanorods hydrothermally sintetizados₃ de BaTiO fossem fase cúbica. os nanorods cúbicos monocristalinos Bem-Isolados de BaTiO₃ do perovskite com os diâmetros que variam de 20 a 30 nanômetro e comprimentos que alcançam acima de to90 nanômetro podem facilmente ser fabricados por esta rota. O espectro do PL mostrou a emissão UV alta e muito baixa a emissão visível, indicando a qualidade óptica das partículas com os defeitos de superfície pequenos. O mecanismo da formação dos nanorods cúbicos monocristalinos de BaTiO₃ do perovskite foi discutido.

Titanate do Bário, Método Hidrotermal, Propriedades Ópticas, Photoluminescence, Nanorods

Os materiais Cerâmicos baseados sobre perovskite-como óxidos são do interesse significativo devido a suas aplicações em elétrico e em dispositivos electrónicos. A aplicação extensiva do titanate do bário (BaTiO)₃ na indústria cerâmica é baseada nas propriedades de seus polymorphs [1, 2]. As temperaturas mais altamente do que sobre 130°C (temperatura de Curie), BaTiO₃ existem na estrutura cúbica do perovskite. Nesta estrutura de cristal, os íons⁺² dos Vagabundos ocupam os cantos da pilha elementar, os íons⁴⁺ do Si estão no centro do volume e nos íons² do O no centro de superfície. Devido à simetria alta da fase cúbica, o titanate do bário exibe o paraelectricity e um dielectricity isotropic. Abaixo do ponto do Curie, a estrutura de cristal transforma da fase cúbica à estrutura tetragonal distorcida com um deslocamento dos centros de cargas positivas e negativas dentro do sublattice. Em conseqüência, um momento de dipolo paralelo a uma das áreas cúbicas da fase original elevara. Uma polarização espontânea tão gerada na estrutura tetragonal é a origem de seu comportamento ferroelectric e piezoeléctrico. Uma redução Mais Adicional das mudanças de temperatura a estrutura de BaTiO₃ em uma estrutura ortorômbica aproximadamente 5°C e finalmente na estrutura romboédrica em 90°C. De facto, pouco estudo foi feita para as últimas duas alterações de baixa temperatura de BaTiO₃ e nenhuma aplicação industrial delas foi relatada [3, 4].

Constantes dieléctricas₃ altas da exibição Cúbica da fase de BaTiO [5]. Como um material dieléctrico, BaTiO₃ é usado principalmente para capacitores tais como capacitores cerâmicos multilayer (MLCCs) [6] e capacitores integrais nas placas de circuito impresso (PCB) [7]. Sua polarização abaixo do ponto do Curie pode ser aplicada para o uso nas memórias de acesso aleatório dinâmicas (DRAM) [8]. Suas propriedades elétricas piezo permitem seu uso nos transdutores e nos actuadores [9]. Os nanorods do titanate do Bário foram sintetizados usando métodos diferentes tais como o processamento do solenóide-gel [10], o método da precipitação [11], o processo químico macio [12], o processo da solenóide-precipitação [13], e um método hidrotermal [14]. Entre eles, o método hidrotermal mostra vantagens como um sistema simples, baixo custo, sem calcinações mais altas processo, tamanho de grão verificável e preparação fácil da temperatura para a multi amostra componente Etc. Neste papel, nós relatamos os resultados em preparar nanorods de BaTiO₃ pela técnica hidrotermal fácil. A estrutura de cristal, a morfologia e as propriedades ópticas de nanorods₃ de BaTiO são discutidas pela primeira vez através do método hidrotermal.

O cloreto de bário da categoria Analítica, o tetracloreto titanium foi adotado como o material de origem para o bário e o titânio, e o hidróxido de sódio como o minerlizer. Uma solução aquosa de bário e de titânio foi obtida misturando um molar estoiquiométrico de BaCl.2HO₂₂ com os 0,6 mol de TiCl₄ em 50 ml de água destilada. Um 1 mol da concentração de NaOH foi adicionado para neutralizar a formação do HCl da hidrólise₄ de TiCl e para manter o valor de pH 5. Após ter adicionado o NaOH a solução foi agitada para o minuto 30, e tendo por resultado um solenóide coloidal branco, o volume final foi ajustado a 90ml usando a água deionized. Depois Disso, o solenóide de 90 ml foi transferido a uma auto embarcação Teflon-Alinhada 100 ml do clave. A embarcação selada era caloroso a 240°C para 20 H. que o Mesmo procedimento foi seguido para o mol diferente concentração de 2 & de 3% de NaOH e igualmente mantem o valor de pH 7 & 9. Após isso, o precipitado resultante foi centrifugado e lavado com água por diversas vezes e secado finalmente em 80°C para 12 h em um forno do vácuo. A amostra como-preparada₃ do pó de BaTiO foi caracterizada pela difracção do pó do Raio X em um diffractometer do Raio X do Avanço D8 com irradiação de CuKα em λ=1.5406 Å. A microestrutura e o tamanho de grão foram analisados com um Microscópio de Elétron Hitachi da Exploração S-4500 e a Microscopia de Elétron de Transmissão (TEM) usando um microscópio de elétron da transmissão JEM-2010. Os espectros (PL) do photoluminescence foram gravados na temperatura ambiente em um espectrofotômetro da fluorescência do modelo F-4500 de Hitachi. Os espectros de absorção óptica foram medidos por um espectrofotômetro do Uv-Vis de Cary 5E (UV-2550).

O Fig. 1 mostra um teste padrão de XRD de nanorods hydrothermally como-sintetizados do titanate do bário com concentração diferente (de 1-3%) de NaOH. Mostra-se que todos os testes padrões cabidos bem com as posições máximas da cúbico-fase padrão BaTiO₃. O Fig. 1 inserir mostra que somente uma única reflexão está apresentada em torno de um 2θ de 45°. Tipicamente, a presença do formulário tetragonal do titanate do bário é pressupor do teste padrão de difracção do pó que contem duas reflexões devido a (200) + (020) em torno de um 2θ de 45°, visto que no formulário cúbico somente uma única reflexão (200) é apresentada nesta região. Conseqüentemente, o teste padrão de XRD mostrado em Fig. 1 confirma que o BaTiO₃ está compor do formulário cúbico do titanate do bário. Os picos no teste padrão de XRD são fortes e afiados, que indicam a cristalinidade relativamente alta dos pós. A existência do íon do cloro é uma razão possível para a cristalinidade alta porque o íon do cloro foi provado ajudar na formação selectiva de óxidos cristalinos um pouco do que os óxidos amorfos [15].

A cristalinidade de BaTiO₃ (cúbico) foi calculada medindo as intensidades de XRD do pico₃ de BaTiO (cúbico) (100) em 2θ = 22.160° com poucos o subproduto de BaCO₃ (identificado por meio de asteriscos) que pode ser removido por um processo de lavagem. O parâmetro da pilha de unidade para o BaTiO cristalino₃ é determinado ser a=3.994 Å e c=4.035 Å que são consistentes com os dados da literatura de JCPDS (31-1741). O tamanho de cristal de BaTiO₃ foi calculado para ser = 25-30 nanômetro do alargamento dos picos correspondentes de XRD usando a equação de Scherrer: L=Kλ/(βcosθ), onde L é o tamanho de cristal; o λ é o comprimento de onda da radiação do Raio X (λ=0.15406 nanômetro) para o Cu Kα; K é tomado geralmente como 0,89; e o β é a linha largura na altura do metade-máximo.

As micrografia de SEM dos pós₃ de BaTiO sintetizados na concentração três diferente de NaOH (1, 2& 3%) são mostradas em Fig.2 (a, b & c). A Partícula sintetizada no NaOH de 1% parece ser morfologia esférica muito uniforme. No caso do NaOH de 2%, as partículas eram esféricas alterado haste-como na morfologia. Contudo, as partículas₃ de BaTiO sintetizadas no NaOH de 3% foram mudadas completamente em nanorods. Com aumento da concentração de NaOH, as partículas perdem sua natureza da acidez e então converte ampoteric na basicidade. Escolhendo a concentração adequada nós poderíamos capaz de formar nanorods.

Figo. 1. Pó XRD dos pós₃ de BaTiO com concentração 1-3% de NaOH. Inserir mostra que somente uma única reflexão esta presente em torno de um 2θ de 45°

Figo. 2. Imagem de SEM dos pós₃ de BaTiO com concentração diferente de NaOH. (a) NaOH de 1%, (b) NaOH de 2%, (c) NaOH de 3%.

Fig. 3 (a) mostra uma imagem de TEM dos nanorods do titanate do bário obtidos pela adição de NaOH de 3%. Os nanorods₃ de BaTiO são muito rectos e têm uma regularidade alta. A imagem de TEM mostra que quase todos os nanoparticles no sistema de reacção estiveram incorporados nos nanorods₃ de BaTiO pelo mecanismo orientado do acessório. O diâmetro dos nanorods₃ de BaTiO varia de 20 a 30 nanômetro e comprimentos que alcançam acima de to90 nanômetro. Segundo as indicações de fig.3 (b) o teste padrão de Difracção do Elétron da Área (SAED) Selecionada exibe um teste padrão de difracção afiado consistente com a estrutura cúbica, que demonstrou que todos os nanorods₃ de BaTiO eram monocristalinos. Os primeiros quatro pontos são atribuídos ao (100), (110), (111), e (200) reflexões da fase cúbica e estão no bom acordo com as medidas de XRD. Espectro dispersivo da Energia (EDS) indicado em Fig.3 (c) e a tabela inserir equipam a composição de vários elementos na amostra preparada.

Figo. 3. (a) imagem de TEM dos pós₃ de BaTiO com concentração 1-3% de NaOH. 3 (b) Inserir mostrou o teste padrão de SAED de pós₃ de BaTiO com concentração de 3% de NaOH. 3 (c) EDS dos pós₃ de BaTiO com concentração de 3% de NaOH

Os espectros (PL) de Photoluminescence dos nanorods₃ de BaTiO entusiasmado com uns 350 a fonte de laser que do nanômetro na temperatura ambiente é apresentada em espectros do PL do Figo 4. de nanorods₃ de BaTiO consistem em duas faixas: perto da borda de faixa a emissão e o defeito UV excitonic relacionaram a emissão nivelada profunda na escala visível. Os espectros indicam uma emissão UV forte ao redor 369, 366 e 363 nanômetro do bandgap respectivamente. A emissão na região UV é atribuída à recombinação entre elétrons na faixa de condução e os furos no valence unem-se. A emissão visível é relacionada aos defeitos estruturais intrínsecos relativos à emissão nivelada profunda, tal como vagas do oxigênio, os estados de superfície, os defeitos OH e o Si simétrico não central³⁺ no titanate do bário do nanophase. Todos estes defeitos estruturais podem causar uma mudança na configuração do octahedron. Uma configuração coordena o modelo pode ser empregada para explicar o processo da luminescência nos nanorods BaTiO₃. Em tal modelo, as coordenadas da configuração podem ser usadas para descrever a posição relativa dos íons dentro do octahedron₆ de TiO nos perovskites BaTiO₃. A estrutura de faixa do elétron de BaTiO₃ tem faixas de condução estreitas ao nível do mar dos estados³⁺ de Ti-3d e faixas do valence dos estados² de O-2p [16]. Tal recombinação que corresponde a transferência de carga do íon central³⁺ do Si a um íon vizinho² do O dentro do octahedron₆⁸ de TiO- através dos defeitos intrínsecos conduz à luminescência no sistema de BaTiO₃ dos nanorods. Conseqüentemente um estudo da propriedade do PL de BaTiO₃ pode fornecer a informação valiosa na qualidade e na pureza deste material.

Figo. 4. Photoluminescence de pós₃ de BaTiO para o vário NaOH do NaOH do NaOH das concentrações (a) 3% (b) 2% (c) 1%.

O espectro de absorção do Uv-Vis da temperatura ambiente de nanorods₃ de BaTiO é mostrado no Figo. 5. O forte aumento dos espectros (NaOH de 1, de 2 & de 3%) no limite de absorção demonstra nanocrystals altamente cristalinos com menos defeitos de superfície. As bordas da faixa de absorção das amostras, mostrando a SHIFT azul óbvia são calculadas ao redor 344.329 & 315 nanômetro. Os valores de energias do bandgap em todos os três casos (3,6, eV 3,7 & 3,9) são maiores do que aquele do valor relatado para BaTiO maioria₃ (eV 3,2) que foram atribuídos igualmente à formação das partículas de BaTiO₃ do nanocrystalline [17]. Considerando a SHIFT azul das posições da absorção do BaTiO maioria₃, os inícios da absorção das amostras actuais podem ser atribuídos à transição directa do elétron nos nanorods₃ de BaTiO. Conseqüentemente, os nanorods₃ de BaTiO seriam um candidato prometedor para dispositivos optoelectronic e o Laser UV.

Figo. 5. Espectro de Absorção do Uv-Vis de pós₃ de BaTiO para o vário NaOH do NaOH do NaOH da concentração (a) 3% (b) 2% (c) 1%.

A formação de fase cúbica BaTiO₃ pode ser compreendida no contexto de um mecanismo do dissolução-recrystallization descrito por Eckert et.al. [18]. Comparou o outro sólido usado trabalhos anteriores de TiO₂ como a fonte titanium; TiCl podia₄ supr íons mais titanium para a formação de BaTiO. ₃Na temperatura ambiente, quando o hidróxido de sódio foi adicionado na solução da mistura de BaCl e₂ de TiCl,₄ o solenóide de TiO₂ era formação. O NaOH Crescente, a solubilidade do solenóide₂ de TiO igualmente aumenta, desse modo aumentando a taxa da dissolução de titânio na solução e aumentando a taxa de formação de BaTiO₃ .

De cima dos resultados, mostra-se que a importância dos íons de hidróxido (OH). São não somente vitais na nucleação de cristais₃ de BaTiO sob condições hidrotermais, do ponto de vista do termodinâmica, como Leneka et.al. [19] relatado, mas igualmente parecem actuar como um catalizador promovendo o crescimento de BaTiO. Porque₃ a solubilidade do hidróxido de sódio é mais do que o hidróxido de bário, neste trabalho há mais íons OH na solução do que outros trabalhos anteriores, a seguir o trabalho do presente pode BaTiO cúbico preparado₃ pela reacção hidrotermal somente para 20 H. Dois propor que os mecanismos envolvessem uma reacção de condensação do Si (OH) - com₆² Vagabundos e^2+12b migração dos Vagabundos^2+l2a na estrutura de TiO₂ com ruptura resultante de faixas do Si-O-Si e incorporação dos Vagabundos. ²⁺No último mecanismo, o papel do OH podia ser facilitar a hidrólise de faixas do Si-O-Si. A natureza dinâmica da interacção entre TiO, Vagabundos₂, e²⁺ OH conduz a um mecanismo da cristalização que envolve a nucleação, o crescimento, e a dissolução de cristal.

O papel do Cl parece ser ajudar a nucleação de cristais maiores com os cristais menores que actuam como núcleos da semente. Notou-se que na presença dos íons de alogenuro, a reactividade de TiO₂ está diminuída. Mesmo que a razão exacta para esta seja obscura, é possível que a reactividade diminuída poderia ser devido à absorção do Cl na superfície₂ de TiO, assim impedindo a difusão dos Vagabundos²⁺. Se, como mencionado acima, o BaTiO cúbico₃ cresce por uma dissolução/processo do recrystallization e o Cl retarda o processo do crescimento de cristal, a seguir pode poder estabilizar a formação dos cristais maiores [20]. Este papel sugerido do Cl é especulativo. Contudo os dados mostrados neste papel sugerem claramente que aqueles aditivos que não participam directamente na reacção química no processo hidrotermal da síntese pode estabilizar a formação dos nanorods cúbicos₃ de BaTiO.

Nós sintetizamos com sucesso nanorods BaTiO₃ usando o método hidrotermal. Os resultados de XRD mostram que os nanorods são fase cúbica. os nanorods cúbicos monocristalinos Bem-Isolados de BaTiO₃ do formulário com os diâmetros que variam de 20 a 30 nanômetro e comprimentos que alcançam acima de to90 nanômetro podem facilmente ser fabricados por esta rota. O espectro do PL mostrou a emissão UV alta e muito baixa a emissão visível, indicando a qualidade óptica das partículas com os defeitos de superfície pequenos. As SHIFT Azuis ocorreram em todos os casos (344.329 & 315 nanômetro) daquela do volume (390 nanômetro), mas uma SHIFT proeminente foi observada para o NaOH de 3%. Aumentar a concentração do NaOH era benefício para a preparação de nanorods₃ de BaTiO. Os nanorods do titanate do bário seriam um candidato prometedor para dispositivos optoelectronic e o laser UV.

Os autores são gratos à Comissão de Grant da Universidade, para que a ajuda económica de alargamento realize este trabalho.

R.Vijayalakshmi e V. Rajendran
Departamento de Física, Faculdade da Presidência, Chennai, TamilNadu, Índia.