بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، ساختار و شکل گیری فاز نانوذرات باریم استرانسیوم تیتانات با استوکیومتری به خصوصی که برای کاربرد در سنسورهای IR مورد استفاده می باشد، بررسی شده است. آنالیز پراش پرتو X و طیف IR نمونه های تکلیس شده در دماهای850 و 750 °C نشان می دهند که فاز خالصی از نانوذرات باریم استرانسیوم تیتانات شکل گرفته است. تصاویر SEM نشان دهنده همگنی و یکنواختی ذرات با اندازه متوسط 150 nm است. تحلیل EDX و آنالیز ICP این نمونه ها شکل گیری فاز نهایی را با استوکیومتری مورد نظر تایید می کنند.
مقدمه
باریم استرانسیوم تیتانات - BST - به عنوان یک ماده فروالکتریک، ثابت دی الکتریک بالایی داشته و دمای کوری آن شدیداً به خواص ساختاری آن وابسته است و بنابراین قابلیت کاربردی زیادی را در سنسورهای پیروالکتریک، حافظه های با دسترسی تصادفی دینامیکی - DRAM - و جابجاگرهای فاز در ناحیه مایکروویو، از خود نشان می دهد .[1-3] برای دست یافتن به خواص موردنظر و کاربردهای عملی این ماده، کیفیت پودرهای BST بسیار مهم است و وابستگی زیادی به روش تهیه این ماده دارد.
نانوساختار منظم و خواص بهینه برای این مواد، زمانی به دست می آید که بتوانیم نانوپودرهای خالص و همگنی را از این مواد تهیه کنیم. درگذشته، برای ساخت پودرهای BST ، روش معمول حالت جامد استفاده می ش د. برطبق این روش با تکلیس مواد اولیه نظیر کربنات باریم، کربنات استرانسیوم و اکسید تیتانیوم در دماهای بالا در حدود 1200°C، پودرهای BST تهیه می شود. پودرهای حاصل از این روش، معایب زیادی نظیر اندازه دانه های بزرگ، غیرهمگن بودن اندازه ذرات و فاز ناخالصی را با خود داشتند.
بنابراین تحقیقات زیادی بر روی سنتز این مواد از طریق روشهای شیمیایی نظیر سل – ژل، همرسوبی شیمیایی، هیدروترمال و ... متمرکز شده است .[4] روش هیدروترمال به طور موفق برای ساخت پودرهای BST به کار گرفته شده است .[5] به خصوص روش هیدروترمال مایکروویو که با حذف فرآیند حرارتی دمای بالا، اندازه ذرات پودر BST را کاهش داده است. با این وجود استفاده از حجم بالایی از مواداولیه و بهره پایین در این روش، دو مشکل عمده این روش محسوب می شود.
روش همرسوبی شیمیایی نیز برای سنتز پودرهای BST در دمای بالا گزارش شده است .[6] درحالی که این روش ساده بوده وقابلیت تولید ذرات با استوکیومتری معین و اندازه زیر میکرون را دارد، اما آلودگی محصول نهایی و عدم کنترل پذیری مقدار pH ، دو مشکل اساسی در این روش محسوب می شوند. اخیراً روش سل – ژل برای تولید پودرهای BST براساس برهم کنش بین آنیون و یونهای فلزی پیشنهاد شده است که در این روش، نانوپودرها در دماهای پایین تهیه شده و به علاوه محصول نهایی خالص و همگن بوده و خواص ساختاری و الکتریکی موردنظر را دارند .[7]
تهیه نمونه ها
اثر استوکیومتری بر خواص الکتریکی و ساختاری ترکیب باریم استرانسیوم تیتانات بسیار مهم است و بر اساس تحقیقات اخیر بهترین خواص الکتریکی و ساختاری به خصوص دمای کوری مناسب برای این ترکیب در استوکیومتریBa0.7Sr0.3TiO3 به دست می آید .[8] بنابراین مواد اولیه با نسبت باریم به استرانسیوم به مقدار 2/4 در نظر گرفته شدند. به منظور ساخت نمونه ها، در ابتدا استات استرانسیوم و استات باریم هر یک به طور جداگانه در 200cc آب دیونیزه که روی گرمکن در دمای 40 °C در حال همز دن بود، حل شدند. بعد از مدت زمان 1/5 ساعت و پس از انحلال کامل، این دو محلول به یکدیگر اضافه شدند.
سپس 57 cc اسید استیک معادل با 59/8926 گرم از این ماده به عنوان عامل کمپلکس ساز تهیه و محلول استاتها با آهنگ متوسط 5/2 cc / Min به این مخلوط اضافه شد. بر اساس استوکیومتری مورد نظر مقدار 27/8 cc تیتانیوم ایزوپروپوکساید معادل با 59/8926 گرم از این ماده در حالیکه محلول حاصل از مرحله قبل در حمام روغن با دمای 50°C و در حال همزدن بود، به صورت قطره قطره با سرعت متوسط 0/02cc / Sec به آن اضافه شد. در این حالت به علت حساسیت بالای تیتانیوم ایزوپروپوکساید به رطوبت هوا، به تدریج تیتانیوم ایزوپروپوکساید موجود در دکانتور که در حال اضافه شدن بود شروع به منجمد شدن در داخل دکانتور کرده و ادامه آزمایش با مشکل جدی مواجه شد.
بنابراین تهیه نمونه متوقف گردیده و آزمایش بار دیگر از سر گرفته شد. بر اساس تجربه بدست آمده در بار دوم برای حل مشکل مربوط به تیتانیوم ایزوپروپوکساید دو کار کلیدی انجام شد. اول اینکه برای پایداری بیشتر تیتانیوم ایزوپروپوکساید، -2 متوکسی اتانول به آن اضافه شد و ثانیاً در این آزمایش جای محلول استاتها و تیتانیوم ایزوپروپوکساید در مرحله اضافه کردن به یکدیگر تغییر داده شد و این بار محلول استاتها به شکل قطره قطره به محلول تیتانیوم ایزوپروپوکساید که در -2 متوکسی اتانول حل شده بود، اضافه شد تا مشکل مرتفع گردد. سپس محلولی شامل 18/6 میلی لیتر اتیلن گلیکول در 50 میلی لیتر آب دیونیزه تهیه و به مح لول حاصل از مرحله قبل اضافه شد. محلول نهایی با pH در حدود 4 حاصل شد و دمای محلول در پایان این فرآیند در حدود 80 °C است.
در این وضعیت با افزایش دما تا 200°C پس از 48 ساعت ژل خشک شد. این پودر را کمی آسیاب کرده و آنالیز TG-DTA به منظور بررسی دمای تشکیل فاز بر روی آن انجام شد و سپس مراحل گرمادهی و تکلیس نمونه در دماهای750 و 850 C صورت گرفت. برای رسیدن به دمای نهایی تکلیس، عملیات گرمادهی در دو مرحله، از دمای اتاق تا دمای میانی هر مرحله با آهنگ °C/min 6 و پس از آن با آهنگ 3 °C/min انجام شد و تکلیس در دمای نهایی مدت زمان 2 ساعت انتخاب شد. در طی مرحله گرمادهی، مقدار کمی از جرم پودر کاسته و در نهایت پودر سفید و همگنی حاصل شد. سپس به مدت 15 دقیقه این پودر با هاون دستی آسیاب و از آن طرح پراش پرتو X تهیه شد. پس از این مرحله آنالیزهای FTIR ، SEM ، EDX و ICP بر روی نمونهها انجام شد.
نتایج و بحث
پس از آنکه ترکیب باریم استرانسیوم تیتانات در فرآیند سل - ژل تهیه شد، قبل از تکلیس ماده، آنالیز گرمایی TG - DTA بر روی نمونه در محیط هوا و با آهنگ حرارت 10°C / min از دمای اتاق تا دمای 1000°C انجام شد.
