合成BaTiO_3.光学性能评价

vijayalakshmi和V. Rajendran

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Azojomo（ISSN 1833-122X）第6卷2010年12月6日

主题涵盖

摘要
关键字
介绍
实验的程序
结果与讨论
结论
承认
参考
详细联系方式

摘要

单晶钙钛矿钛酸钡纳米棒通过水热法成功地合成。通过使用氯化钡和四氯化钛作为原料和NaOH作为矿化剂来完成合成。亚博网站下载X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），超紫色（UV）和光致发光（PL）的晶体结构，形态和光学性质的特征在于纳米棒的表征。XRD结果表明，水热合成的BATIO_3.纳米棒是立方相。分离良好的单晶立方钙钛矿BaTiO_3.直径范围为20至30nm的纳米棒和达到高达> 90nm的长度可以通过该路线容易地制造。PL光谱显示出高紫外线发射和非常低的可见发射，表明表面缺陷小的粒子的光学质量。yabo214单晶立方钙钛矿BATIO形成的机制_3.纳米棒进行了讨论。

关键字

钛酸钡，水热法，光学性质，光致发光，纳米棒

介绍

由于其在电气和电亚博网站下载子设备中的应用，基于钙钛矿状氧化物的陶瓷材料具有重要利益。钛酸钡的广泛应用（Batio_3.）在陶瓷工业中，基于其多晶型物的性质[1,2]。温度高于约130°C（居里温度），BATIO_3.存在于立方钙钛矿结构中。在这种晶体结构中，BA^＋２离子占据基本细胞的角落，Ti⁴⁺离子在体积中心和O²-离子在表面中心。由于立方相的高度对称性，钛酸钡表现出顺电性和各向同性介电性。在居里点以下，随着亚晶格中正电荷和负电荷中心的位移，晶体结构从立方相转变为扭曲的四方结构。结果，出现了一个平行于原始相位的一个立方面积的偶极矩。这种在四方结构中产生的自发极化是其铁电和压电行为的起源。温度的进一步降低改变了BaTiO的结构_3.在5℃左右变成正交结构，在90℃最后变成菱形结构。事实上，对BaTiO的后两种低温改性的研究很少_3.没有报告他们的工业应用[3,4]。

立方BaTiO_3.相表现出高介电常数[5]。作为介电材料，BATIO_3.主要用于多层陶瓷电容器[6]、印刷电路板(PCB)积分电容器[7]等电容器。其居里点以下的极化可用于动态随机存取存储器(DRAM)[8]。它的压电特性使其能够用于传感器和执行器[9]。采用溶胶-凝胶法[10]、沉淀法[11]、软化学法[12]、溶胶-沉淀法[13]、水热法[14]等方法合成了钛酸钡纳米棒。其中，水热法具有体系简单、成本低、无需高温煅烧、粒度可控、易于制备多组分样品等优点。本文报道了钛酸钡纳米棒的制备结果_3.采用简易水热技术。研究了BaTiO的晶体结构、形貌和光学性能_3.首次采用水热法对纳米棒进行了讨论。

实验的程序

分析级氯化钡，将四氯化钛作为钡和钛的源材料和氢氧化钠作为矿化剂。通过混合Bacl的一种摩尔化学计量获得钡和钛的水溶液₂.2H.₂O和0.6 mol的TiCl_4.在50毫升蒸馏水中。加入1mol浓度的NaOH以中和从TiCl中和HCl形成_4.水解并保持pH值5。加入NaOH后搅拌30分钟，形成白色胶体溶胶，用去离子水将最终体积调整到90ml。之后，将90毫升溶胶转移到100毫升特氟隆衬里的自动裂解容器中。将密封容器加热到240°C，加热20小时。对不同mol 2和3%的NaOH浓度执行相同的步骤，同时保持pH值7和9。然后，将所得沉淀物离心，用水洗涤数次，最后在真空烘箱中80°C烘干12 h。的好BaTiO_3.粉末样品的特征在于D8前进X射线衍射仪上的X射线粉末衍射，Cukα照射在λ= 1.5406。通过使用JEM-2010透射电子显微镜通过扫描电子显微镜日立S-4500和透射电子显微镜（TEM）分析微观结构和晶粒尺寸。在室温下在日立模型F-4500荧光分光光度计上记录光致发光（PL）光谱。通过Cary 5E UV-Vis分光光度计（UV-2550）测量光学吸收光谱。

结果与讨论

图。图1显示了具有不同（1-3％）NaOH的水热和合成钛酸钡纳米棒的XRD图案。结果表明，所有图案都适合标准立方相质量的峰值位置_3.．插图图1示出了仅在45°的2θ左右呈现单个反射。通常，从含有（200）+（020）的两个反射的粉末衍射图案推断出四方形式的钛酸钡的存在，其围绕25°的25°，而在立方体中仅以单一反射（200）是介绍在这个地区。因此，图1中所示的XRD模式确认了BATIO_3.由立方体形式的钛酸钡组成。XRD图案中的峰是强壮的，锐利，其表示粉末的相对高的结晶度。氯离子的存在是高结晶度的可能原因，因为已经证明氯离子以帮助选择性地形成结晶氧化物而不是无定形氧化物[15]。

BATIO的结晶度_3.(立方)是通过测量BaTiO的XRD强度来估计的_3.(立方)(100)峰在2θ = 22.160°时，BaCO的副产物很少_3.(以星号标示)，可用洗涤程序去除。晶体BaTiO的单元参数_3.确定为a=3.994 Å， c=4.035 Å，与JCPDS文献数据(31-1741)一致。BaTiO的晶体尺寸_3.计算为= 25-30nm，通过使用Scherrer方程扩大相应的XRD峰值：L =kλ/（βcosθ），其中L是晶体尺寸;λ是CuKα的X射线辐射（λ= 0.15406nm）的波长;k通常被视为0.89;并且β是半最大高度的线宽。

BaTiO的SEM显微照片_3.以三种不同浓度的NaOH（1,2和3％）合成的粉末如图2（A，B＆C）所示。1％NaOH合成的粒子似乎是非常均匀的球形形态。在2％NaOH的情况下，将颗粒变为球形成棒状形态。yabo214但是，Batio_3.在yabo2143％NaOH中合成的颗粒完全被改变为纳米棒。随着NaOH的浓度，颗粒失去了酸度性质，然后将Ampoterg转化为碱度。yabo214通过选择足够的浓度，我们能够形成纳米棒。

图1所示。Batio的粉末XRD_3.含1-3% NaOH的粉末。插图显示，在2θ(45°)附近仅存在一次反射

图2所示。Batio的SEM图像_3.粉末具有不同浓度的NaOH。（a）1％NaOH，（B）2％NaOH，（C）3％NaOH。

图。图3（a）显示了通过添加3％NaOH获得的钛酸钡纳米棒的TEM图像。巴蒂奥_3.纳米棒非常直，并具有高规律性。TEM图像表明，几乎所有反应系统中的纳米颗粒都掺入了BATIO中yabo214_3.纳米棒通过取向的附着机制。BATIO的直径_3.纳米棒的范围从20到30 nm，长度可达>90 nm。如图3 (b)所示，选定区域电子衍射(SAED)图显示出与立方体结构一致的尖锐衍射图，这表明所有BaTiO_3.纳米棒是单晶的。前四个点被分配到立方相的(100)，(110)，(111)和(200)反射物上，与XRD测量结果很好地一致。图3(c)所示的能谱(EDS)和插入表给出了制备样品中各元素的组成。

图3.（a）Batio的TEM图像_3.含1-3% NaOH的粉末。3（b）插图显示了Batio的起草模式_3.粉末3％浓度的NaOH。3（c）BATIO的EDS_3.3%氢氧化钠的粉末

BATIO的光致发光（PL）光谱_3.图4为室温下用350 nm激光源激发的纳米棒。BaTiO的PL谱_3.纳米棒由两个波段组成:近波段边缘的激子紫外发射和可见范围内与缺陷相关的深能级发射。光谱在369、366和363 nm处表现出强烈的紫外带隙发射。紫外区发射归因于导带电子与价带空穴的复合。可见发射与深能级发射相关的本征结构缺陷有关，如氧空位、表面态、OH-缺陷和非中心对称Ti³⁺在纳贝钡钛酸钡中。所有这些结构缺陷都会产生八面体配置的变化。可以采用配置坐标模型来阐明纳米棒BATIO中的发光过程_3.．在这样的模型中，配置坐标可用于描述TIO内部的离子的相对位置_6.八欧丁酮在Perovskites Batio_3.．BATIO的电子带结构_3.从Ti有低洼的窄传导带³⁺-3d态和O的价带²-2P状态[16]。这种重组对应于来自中央TI的电荷转移³⁺离子到邻近的o²-离子内部的TiO_6.^8.-八面体通过固有缺陷导致纳米棒BaTiO发光_3.系统。因此，研究了Batio的PL财产_3.可以提供有关这种材料的质量和纯度的宝贵信息。

图4。BATIO的光致发光_3.各种浓度的粉末（a）3％NaOH（B）2％NaOH（C）1％NaOH。

Batio的室温紫外线吸收光谱_3.纳米棒如图5所示。吸收边光谱(1,2 & 3% NaOH)的急剧上升显示出高结晶性的纳米晶体，表面缺陷更少。样品的吸收带边缘显示出明显的蓝移，估计在344,329和315 nm左右。在这三种情况下(3.6、3.7和3.9 eV)的能带隙能值都比报道的大块BaTiO的能带隙能值大_3.（3.2eV）也归因于纳米晶体的形成_3.粒yabo214子[17]。考虑到从大块BaTiO吸收位置的蓝移_3.，本样品的吸收垂直可以分配给BATIO中电子的直接转变_3.纳米棒。因此，Batio_3.Nanorods将是光电器件和UV激光器的有希望的候选者。

图5。BaTiO的紫外-可见吸收光谱_3.各种浓度的粉末（a）3％NaOH（B）2％NaOH（C）1％NaOH。

立方相BaTiO的形成_3.可以在Eckert et.al描述的溶解 - 再结晶机制的背景下理解。[18]。比较其他以前的作品使用了TIO₂固体为钛源;TiCl_4.可以假设更多钛离子形成BATIO_3.．在室温下，当在Bacl的混合物溶液中加入氢氧化钠时₂和TiCl_4., TiO₂溶胶形成。增加NaOH, TiO₂溶胶溶解度也增加，从而增加了钛在溶液中的溶解速率，提高了BaTiO的速率_3.形成。

从上述结果中，证明氢氧化物离子的重要性（OH-）。它们不仅至关重要的BATIO_3.水热条件下的晶体，从热力学的观点来看，如Leneka et.al. [19]报道，但它们似乎通过促进BATIO的生长来作为催化剂_3.．由于氢氧化钠的溶解度比氢氧化钡大，所以在本工作中溶液中OH-离子的含量比以往的工作多，因此本工作可以制备立方钡_3.两种机制涉及Ti(OH)的缩合反应_6.²- 与ba.^{2 + 12 b}和ba的迁移^{2 + l2a.}到TiO₂Ti-O-Ti带断裂，Ba掺入²⁺．在后一种机制中，OH-可以是促进Ti-O-Ti带的水解的作用。TIO之间相互作用的动态性质₂,英航²⁺， OH-导致结晶机制，涉及成核、生长和晶体溶解。

Cl-的作用似乎是帮助较大的晶体成核，较小的晶体作为种子核。研究表明，在卤化物离子存在的情况下，TiO的反应性显著提高₂减少了。尽管尚不清楚的确切原因，但反应性降低可能是由于TiO上的吸收₂表面，从而阻碍了Ba的扩散²⁺．如果，如上所述，立方BaTiO_3.通过溶解/再结晶过程生长并降低晶体生长过程，然后它可能能够稳定较大晶体的形成[20]。这一提出的Cl-是推测的。然而，本文所示的数据清楚地表明，这些添加剂不直接进入水热合成过程中的化学反应可以稳定立方体BATIO的形成_3.纳米棒。

结论

我们成功地合成了纳米棒BaTiO_3.通过使用水热法。XRD结果表明，纳米棒是立方相。孤立的单晶立方体形式Batio_3.直径范围为20至30nm的纳米棒和达到高达> 90nm的长度可以通过该路线容易地制造。PL光谱显示出高紫外线发射和非常低的可见发射，表明表面缺陷小的粒子的光学质量。yabo214在所有情况下发生蓝色班次（344,329＆315nm），来自散装（390nm），但观察到3％NaOH的突出移位。增加NaOH浓度是制备BATIO的益处_3.纳米棒。钛酸钡纳米棒是一种很有前途的光电器件和紫外激光的候选材料。

承认

作者感谢大学拨款委员会，以便在执行这项工作的情况下延长财政援助。

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详细联系方式

vijayalakshmi和V. Rajendran
物理学，总统学院，钦奈，塔米尔纳德邦，印度。

电子邮件：[电子邮件受保护]

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，12[2](2010)43-49。亚博网站下载