Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом

Методом золь–гель синтезовано нанорозмірні порошки твердих розчинів BaTi₁₋ₓZrₓO₃ (0.2≤ х≤ 0.3) та вивчено хімічні перетворення, що при цьому відбуваються. На підкладках α-Al₂O₃ золь–гель методом одержано однофазні плівки BaTi₁₋ₓZrₓO₃; досліджено вплив концентрації гелю та кількості нанесених шарів н...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Дурилін, Д.О., Суслов, О.М., Солопан, С.О., Овчар, О.В., Білоус, А.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України 2013
Назва видання:	Украинский химический журнал
Теми:	Неорганическая и физическая химия
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/187832
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом / Д.О. Дурилін, О.М. Суслов, С.О. Солопан, О.В. Овчар, А.Г. Білоус // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 1. — С. 7-12. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-187832
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1878322023-02-03T21:19:30Z Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом Дурилін, Д.О. Суслов, О.М. Солопан, С.О. Овчар, О.В. Білоус, А.Г. Неорганическая и физическая химия Методом золь–гель синтезовано нанорозмірні порошки твердих розчинів BaTi₁₋ₓZrₓO₃ (0.2≤ х≤ 0.3) та вивчено хімічні перетворення, що при цьому відбуваються. На підкладках α-Al₂O₃ золь–гель методом одержано однофазні плівки BaTi₁₋ₓZrₓO₃; досліджено вплив концентрації гелю та кількості нанесених шарів на синтез плівок. На основі отриманих наночасток спечено кераміку та показано можливість використання синтезованих матеріалів в якості нелінійних діелектриків. Методом золь-гель синтезированы наноразмерные порошки твердых растворов BaTi₁₋ₓZrₓO₃ (0.2 ≤ х ≤ 0.3); изучены химические реакции, которые при этом происходят. На подложках α-Al₂O₃ золь–гель методом получены однофазные пленки BaTi₁₋ₓZrₓO₃; исследовано влияние концентрации геля и количества нанесенных слоев на синтез пленок. На основе полученных наночастиц спечена керамика и показана возможность использования синтезированных материалов в качестве нелинейных диэлектриков. Nanosize powders of solid solutions BaTi₁₋ₓZrₓO₃ (0.2 ≤ х ≤ 0.3) were synthesized by a sol–gel technique as well as the corresponding chemical reactions have been studied. Single-phase films of BaTi₁₋ₓZrₓO₃ were deposited on the α-Al₂O₃ substrates by a sol–gel technique as well as the influence of the gel concentrations and number of deposited layers on the films production have been examined. Synthesized nanopowders were also utilized for the production of sintered ceramics which has been shown to demonstrate the potential for the implementation as non-linear dielectrics. 2013 Article Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом / Д.О. Дурилін, О.М. Суслов, С.О. Солопан, О.В. Овчар, А.Г. Білоус // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 1. — С. 7-12. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 0041–6045 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/187832 546.431’824’814 uk Украинский химический журнал Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия
spellingShingle	Неорганическая и физическая химия Неорганическая и физическая химия Дурилін, Д.О. Суслов, О.М. Солопан, С.О. Овчар, О.В. Білоус, А.Г. Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом Украинский химический журнал
description	Методом золь–гель синтезовано нанорозмірні порошки твердих розчинів BaTi₁₋ₓZrₓO₃ (0.2≤ х≤ 0.3) та вивчено хімічні перетворення, що при цьому відбуваються. На підкладках α-Al₂O₃ золь–гель методом одержано однофазні плівки BaTi₁₋ₓZrₓO₃; досліджено вплив концентрації гелю та кількості нанесених шарів на синтез плівок. На основі отриманих наночасток спечено кераміку та показано можливість використання синтезованих матеріалів в якості нелінійних діелектриків.
format	Article
author	Дурилін, Д.О. Суслов, О.М. Солопан, С.О. Овчар, О.В. Білоус, А.Г.
author_facet	Дурилін, Д.О. Суслов, О.М. Солопан, С.О. Овчар, О.В. Білоус, А.Г.
author_sort	Дурилін, Д.О.
title	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом
title_short	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом
title_full	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом
title_fullStr	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом
title_full_unstemmed	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом
title_sort	cинтез наночасток і плівок bati₁₋ₓzrₓo₃ золь–гель методом
publisher	Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Неорганическая и физическая химия
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/187832
citation_txt	Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом / Д.О. Дурилін, О.М. Суслов, С.О. Солопан, О.В. Овчар, А.Г. Білоус // Украинский химический журнал. — 2013. — Т. 79, № 1. — С. 7-12. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series	Украинский химический журнал
work_keys_str_mv	AT durilíndo cinteznanočastokíplívokbati1xzrxo3zolʹgelʹmetodom AT suslovom cinteznanočastokíplívokbati1xzrxo3zolʹgelʹmetodom AT solopanso cinteznanočastokíplívokbati1xzrxo3zolʹgelʹmetodom AT ovčarov cinteznanočastokíplívokbati1xzrxo3zolʹgelʹmetodom AT bílousag cinteznanočastokíplívokbati1xzrxo3zolʹgelʹmetodom
first_indexed	2025-07-16T09:34:31Z
last_indexed	2025-07-16T09:34:31Z
_version_	1837795609836257280
fulltext	НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ УДК 546.431’824’814 Д.О.Дурилін, О.М.Суслов, С.О.Солопан, О.В.Овчар, А.Г.Білоус CИНТЕЗ НАНОЧАСТОК I ПЛIВОК BaTi1–xZrxO3 ЗОЛЬ–ГЕЛЬ МЕТОДОМ Методом золь–гель синтезовано нанорозмірні порошки твердих розчинів BaTi1–xZrxO3 (0.2≤ х≤ 0.3) та вивчено хімічні перетворення, що при цьому відбуваються. На підкладках α-Al2O3 золь–гель методом одержано однофазні плівки BaTi1–xZrxO3; досліджено вплив концентрації гелю та кілько- сті нанесених шарів на синтез плівок. На основі отриманих наночасток спечено кераміку та пока- зано можливість використання синтезованих матеріалів в якості нелінійних діелектриків. ВСТУП. Розвиток сучасних систем бездро- тового зв’язку та радіолокації потребує застосу- вання нових функціональних матеріалів із суку- пністю високих електрофізичних властивостей у надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні. НВЧ- діелектрики повинні поєднувати в собі низькі діелектричні втрати (tgδ) та високу діелектричну проникність (ε) [1]. Ще одна вимога — можли- вість керувати величиною НВЧ-діелектриків зов- нішнім електричним полем. Для цього необхід- ні так звані нелінійні діелектричні матеріали з високою залежністю діелектричної проникності від величини прикладеного електричного поля. Нелінійні діелектрики насамперед необхідні при створенні електрокерованих варакторів, фа- зообертачів, ліній передач та інших пристроїв НВЧ-зв’язку [2]. Найчастіше в якості нелінійних діелектри- ків використовуються тверді розчини (Ba1–xSrx)- TiO3 [2], для яких характерні високі значення відносного коефіцієнта нелінійності nR. Проте за- стосування (Ba1–xSrx)TiO3, особливо у плівково- му вигляді, лімітовано високим значенням його tgδ. Тому важливою проблемою залишається ство- рення нових (особливо плівкових) матеріалів з низькою величиною діелектричних втрат поряд із збереженням високих значень ε та nR . Значний потенціал для створення неліній- них матеріалів саме із низькими втратами де- монструють тверді розчини BaTi1–xZrxO3 (BZT), де 0.2 ≤ х ≤ 0.3 [3, 4]. При синтезі матеріалів на основі BZT методом твердофазних реакцій в якості вихідних реагентів зазвичай використо- вують TiO2, ZrO2 та BaCO3. У цьому випадку однофазний продукт утворюється при високій температурі 1400—1450 oС [3–5]. У літературі та- кож показана можливість одержання нанороз- мірних порошків і плівок BZT при більш низь- кiй температурі за допомогою золь–гель мето- дів [5–7]. Проте інформація щодо процесів утво- рення твердих розчинів та фазових перетворень при золь–гель синтезі BZT у літературі практич- но відсутня. Тому мета даної роботи — одержання на- ночасток і плівок BZT золь–гель методом, вив- чення процесів утворення цих твердих розчинів та фазових перетворень при їх синтезі, а також дослідження можливості використання отрима- них матеріалів в якості нелінійних діелектриків. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА. Нанокри- сталічні порошки твердих розчинів BaTi1–x- ZrxO3 при 0.2 ≤ х ≤ 0.3 одержували золь–гель методом. Для синтезу 0.1 моль (24.4 г) кінцевого продукту в полімерну матрицю, що складалась із змішаних між собою 4 моль етиленгліколю EG (C2H6O2, ч.д.а) та 1 моль безводної лимон- ної кислоти CA (HOOCCHC(OH)(COOH)CH- COOH, ч.д.а), додавали 75 %-й розчин 2,4-пен- тандіонату титану в ізопропіловому спирті (C16H28O6Ti) та ретельно перемішували. В отри- ману суміш вводили відповідну мольну кіль- кість водного розчину оксохлориду цирконію ZrOCl2 (ос.ч.) та попередньо розчинений в оц- товій кислоті безводний BaCO3 (ос.ч.). Одержа- ний таким чином розчин гомогенізували та на- грівали при температурі 135 ± 5 оС до появи в’яз- кого полімерного гелю жовтого кольору. Гель поступово нагрівали до 350 ± 10 оС, при цьому відбувалась полімеризація гелю з утворенням гумоподібної маси, яка зазнавала піролізу при © Д.О.Дурилін, О.М .Суслов, С.О.Солопан, О.В.Овчар, А.Г.Білоус , 2013 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1 7 температурі 350 ± 10 оС (2 год). Отриманий про- дукт розтерли в агатовій ступці та прожарю- вали в тиглі з Al2O3 на повітрі при темпера- турі до 1000 оС (4 год). З одержаних порошків було виготовлено циліндричні зразки, що по- тім спікалися при температурі 1350—1400 оС впродовж 4 год. Для одержання плівок твердих розчинів BaTi1–xZrxO3 (х=0.2) золь–гель методом викори- стовували отриманий за вказаною вище мето- дикою в’язкий гель. Плівки за допомогою уста- новки SCI-20 (Novocontrol Technologies GmbH & Co) на швидкості 4800 об/хв наносили на по- передньо підготовлені (витримка в суміші сір- чаної кислоти та перекису водню протягом 12 год) підкладки полікристалічного α-Al2O3. От- римані плівки сушили при 150 oС впродовж 1 год, після чого проводили їх термообробку в діапазоні температур 500—1000 oС зі швидкіс- тю нагріву 5 oС/хв та витримували 1 год. Одержані нанокристалічні порошки та плі- вки було ідентифіковано рентгенографічним ме- тодом за дифрактограмами, знятими на дифрак- тометрі ДРОН-4-07 (CuKα-випромінення). Діеле- ктричнi характеристики (ε, tgδ) вимірювали в широкому частотному діапазоні за допомогою імпедансометра PGSTAT-30 (Solartron). ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТIВ. Порошки тве- рдих розчинів BaTi1–xZrxO3 при 0.2 ≤ х ≤ 0.3 синтезували за технологією [8, 9], вка- заною на схемі (рис. 1). У відповід- ності до цієї схеми, при додаванні до суміші лимонної кислоти та етилен- гліколю 75 %-го розчину 2,4-пентан- діонату титану (C16H28O6Ti) в ізопро- піловому спирті суміш стає прозо- рою. Це свідчить про утворення стій- кого хелатного комплексу Ті4+ з лимон- ною кислотою згідно з реакцією (1) [10]. Під час додавання водного роз- чину оксохлориду цирконію (ZrOCl2) до одержаної суміші спостерігається утворення комплексу Zr4+ за реакці- єю, подібною до попередньої. При цьому відбувається заміщення спир- тових груп у координаційному ото- ченні комплексу Ti4+ гідроксогрупа- ми, що вводяться в реакцію при до- даванні водного розчину солі оксо- хлориду цирконію (реакція (2)) [11]. На наступному етапі при додаванні до роз- чину лимоннокислих солей титану та цирконію, розчиненого в оцтовій кислоті, карбонату барію відбувається утворення цитрату барію згідно з реакцією (3) [12]. Неорганическая и физическая химия Рис. 1. Схема синтезу твердих розчинів BaTi1–xZrxO3 (0.2 ≤ х ≤ 0.3) золь–гель методом. (1) 8 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1 При перемішуванні отриманої суміші солей з етиленгліколем та нагріванні до температури 135 oС відбувається процес поліестерифікації комплексів лимонної кислоти та етиленгліколю відповідно до реакції (4), про що свідчить утво- рення в’язкого гелю світло-жовтого кольору [8]. Після піролізу (350 oС) отриманого гелю, за результатами рентгенофазо- вого аналізу (рис. 2), крім рентгеноаморфного продук- ту, присутній карбонат барію (BaCO3). При подальшому на- гріванні зразка до 600 oС спо- стерігається утворення ти- танату барію (BaТiO3), а та- кож мають місце піки окси- ду цирконію (ZrO2). Як вид- но з рис. 2 (рентгенограми 3), в діапазоні температур 600 —800 oС відбувається взає- модія оксиду цирконію та карбонату барію з утворен- ням цирконату барію (BaZr- O3). Після термообробки за температур 800—1000 oС на рентгенограмах зникають рефлекси BaZrO3, в той же час спо- стерігається зміщення положення піків основ- ної фази (рис. 2, вставка), що свідчить про ут- ворення однофазних твердих розчинів BaTi1–x- ZrxO3. Таким чином, хімічні перетворення, які мають місце при синтезі BZT у діапазоні темпе- ратур 350—1000 oС, можна представити у виг- ляді схеми: гель 350−600 oC BaТiO3 + + ZrO2 + BaCO3 600−800 oC xBaZrO3 + (1–x )BaTiO3 800−1000 oC BaTi1–xZrxO3 . Для нанесення плівок твердих розчинів BaTi1–xZrxO3 (х=0.2) золь–гель методом було одержано (за наведеною вище методикою) в’яз- кі гелі з різною загальною концентрацією іонів (2) (3) (4) ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1 9 металів (0.1 та 0.3 М). У якості під- кладок було використано полі- кристалічний α-Al2O3. В ході ро- боти було встановлено, що синте- зовані впродовж 1 год при 1000 oС плівки BZT є однофазними (рис. 3). За результатами проведе- них рентгенівських досліджень вста- новлено, що інтенсивність піків BaTi1–xZrxO3 помітно зростає зі збільшенням концентрації гелію, а інтенсивність піків підкладки знижується (рис. 3, криві 2, 3), що свідчить про збільшення товщи- ни плівок. Товщина плівок не- пропорційно залежить від кіль- кості шарів нанесеного гелю, і це може бути пов’язано з частковим розчиненням плівки при наступ- ному нанесенні. Як видно з рис. 3 (криві 3, 4), збільшення кількості шарів від 1 до 5 не приводить до п’ятикратного зростання піків BZT. Слід відмітити, що подальше збі- льшення кількості шарів при на- несенні недоцільне, оскільки почи- нає відбуватися змив попередніх шарів, що погіршує якість плівок. З метою вивчення можливо- сті використання отриманих матеріалів в якості нелінійних діелектриків у ході проведення досліджень було спечено по- лікристалічні матеріали при темпера- турі 1350—1400 oС впродовж 4 год, при цьому використовувались одержані в роботі однофазні порошки твердих роз- чинів BaTi1–xZrxO3 при х=0.2. Для от- риманої кераміки визначено залежно- сті діелектричної проникності (ε) та ді- електричних втрат (tgδ) від температу- ри (рис. 4, а). Показано, що фазовий пе- рехід сегнетоелектрик—антисегнетоеле- ктрик спостерігається при температурі нижчій за кімнатну, а в діапазоні Т ≥ 20 oС цей твердий розчин є параелект- риком, що дозволяє очікувати в ньому низьких діелектричних втрат. Згідно з результатами вимірювання нелінійних характеристик спеченої кераміки BZT (рис. 4, б) встановлено, що вони дійсно Неорганическая и физическая химия Рис. 2. Рентгенограми нанорозмірних порошків BaTi1–xZrxO3 (х=0.2) після піролізу 350 оС (1) та при різних температурах подальшої термообробки: 600 (2), 800 (3), 1000 оС (4). a – BaCO3, b – BaTiO3, c – ZrO2, d – BaZrO3, e – BZT. Вставка: характерні піки BaTiO3 (3) та BZT (4). 10 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1 мають низькі значення tgδ (~10–3, на частоті 1 МГц), а також характеризуються високою діеле- ктричною проникністю (~4500). Як видно з рис. 4, б, отримана кераміка демонструє висо- ку залежність параметрів (ε, tgδ) від прикладе- ного електричного поля (Е ~ 4⋅106 В/м). При цьому відносний коефіцієнт нелінійності nR скла- дає 46.5 % (∆ηRε = (ε(E) – ε(0))/ε(E), де ε(0) та E — величини діелектричної проникності відпо- відно у відсутності та присутності зовнішнього поля), що робить синтезовані матеріали перс- пективними для створення нелінійних НВЧ- діелектриків. ВИСНОВКИ . Золь–гель методом синтезо- вано нанорозмірні порошки та плівки твердих розчинів BaTi1–xZrxO3, де 0.2 ≤ х ≤ 0.3. У резу- льтаті проведених досліджень з використанням рентгенофазового аналізу було вивчено особли- вості синтезу часток та плівок BZT. В обох ви- падках однофазний продукт утворюється при 1000 оС. Встановлено вплив концентрації гелю та кількості нанесених шарів на одержання плі- вок. Полікристалічні матеріали, отримані на ос- нові нанорозмірних порошків BZT, характери- зуються високими значеннями ε та низькими діелектричними втратами, демонструють висо- кий рівень нелінійних властивостей, що робить їх перспективними матеріалами для створен- ня компонентів сучасної апаратури зв’язку. РЕЗЮМЕ. Методом золь-гель синтезированы на- норазмерные порошки твердых растворов BaTi1–x- ZrxO3 (0.2 ≤ х ≤ 0.3); изучены химические реакции, которые при этом происходят. На подложках α-Al2O3 золь–гель методом получены однофазные пленки BaTi1–xZrxO3; исследовано влияние концентрации ге- ля и количества нанесенных слоев на синтез пленок. На основе полученных наночастиц спечена керами- ка и показана возможность использования синтези- рованных материалов в качестве нелинейных ди- электриков. Рис. 3. Рентгенограми підкладки α-Al2O3 (1) та золь– гель плівок BaTi1–xZrxO3 (х=0.2), одержаних при 1000 oС із гелів різної концентрації: 0.1 (2), 0.3 М (3). Рентгенограми 2, 3 — 5 шарів плівки, 4 — 1 шар плівки; a – BZT. Рис. 4. Залежності електрофізичних параметрів (ε та tgδ) від температури (а) і величини прикладеного еле- ктричного поля (б) на частоті 1 М Гц для полікри- сталічних матеріалів BaTi1–xZrxO3 (х=0.2), спечених при 1430 oС впродовж 4 год. ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1 11 SUMMARY. Nanosize powders of solid solutions BaTi1–xZrxO3 (0.2 ≤ х ≤ 0.3) were synthesized by a sol– gel technique as well as the corresponding chemical re- actions have been studied. Single-phase films of BaTi1– xZrxO3 were deposited on the α-Al2O3 substrates by a sol–gel technique as well as the influence of the gel con- centrations and number of deposited layers on the films production have been examined. Synthesized nanopow- ders were also utilized for the production of sintered ceramics which has been shown to demonstrate the po- tential for the implementation as non-linear dielectrics. ЛІТЕРАТУРА 1. Sebastian M .T. D ielectric Materials for Wireless Communication. -Oxford, UK: Elsevier Science, 2008. 2. Tagantsev A .K., Sherman V .O., Astafiev Ф.Ф. et al. // J. Electroceram. -2003. -11, № 1–2. -P. 5—66. 3. M itoseriu L ., Ciomaga C.E., Buscaglia V . et al. // J. Europ. Ceram. Soc. -2007. -27, №13. -P. 3723—3726. 4. Liang R.-H., Dong X .-L ., Chen Y . et al. // Ceram. International. -2007. -33, №6. -P. 957—961. 5. Xu J., M enesklou W ., Ivers-Tiffee E. // J. Europ. Ceram. Soc. –2005. -25, №12. -P. 2289—2293. 6. Z hai J., Hu D., Y ao X. et al. // Ibid. Soc. -2006. -26, №10. -P. 1917—1920. 7. Qi1 J.Q., W ang1 Y ., Chen1 W .P. et al. // J. Nano- particle. -2006. -8, №6. -P. 959—963. 8. Kakihana M . // J. Sol-Gel Science Technology. -1996. -6, № 1. -P. 7—55. 9. Pat. U.S . -Publ. July, 1967. 10. M arek I. Titanium and zirconium in organic synthesis. -Weinheim: Wiley–VCH, 2002. 11. M akita K. Sol-gel preparation of reflective coatings / Ed. Sumio Sakka. -New York: Kluwer Academ. Publ., 2005. -Р. 661—675. 12. Sillen L .G., M artell A .E. Stability Constants of Metal- Ion Complexes. -London: The Council Soc., 1964. -Р. 17—25. Інститут загальної та неорганічної хімії Надійшла 04.07.2012 ім. В.І.Вернадського НАН України, Київ Неорганическая и физическая химия 12 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2013. Т. 79, № 1

Cинтез наночасток і плівок BaTi₁₋ₓZrₓO₃ золь–гель методом

Репозитарії

Схожі ресурси