블로그

Jun 11, 2024

납/티탄산바륨 도핑된 바나듐 붕산염 유리의 전기적 특성을 향상시키는 방법으로서의 초기 단계 나노결정화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12498(2023) 이 기사 인용 330 측정항목 세부 정보 액세스 x가 포함된 (10 − x) BaTiO3(BT)–xPbTiO3(PT)–60V2O5–30B2O3의 유리-세라믹 나노복합체(GCN)

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12498(2023) 이 기사 인용

330 액세스

측정항목 세부정보

x = 0, 2.5, 5, 7.5 및 10mol%인 (10 − x) BaTiO3(BT)–xPbTiO3(PT)–60V2O5–30B2O3의 유리-세라믹 나노복합체(GCN)가 기존 용융 담금질 유리의 열처리 중에 형성되었습니다. . 유리 및 GCN 형성을 보장하기 위해 X선 회절이 사용되었습니다. 유리 및 GCN 밀도는 아르키메데스 원리로 측정되었습니다. 붕산바나듐 유리 매트릭스에 티탄산납 및/또는 티탄산바륨이 결합된 미세한 극성 클러스터는 조성에 따라 크게 달라집니다. DSC 방법으로 결정된 결정화 온도에 근접한 온도에서 나노 결정화의 적절한 초기 단계에 의해 초기 유리의 전기 전도도가 상당히 향상될 수 있음이 밝혀졌습니다. GCN은 BaTiO3 함량에 따라 전기 전도도가 최대 6배까지 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. BaTiO3 함량을 증가시키면 활성화 에너지 값이 증가하는 것으로 나타났습니다. GCN의 전기 전도성 향상은 V 이온 쌍의 농도를 증가시키는 유리질 매트릭스의 결정질 단계의 증가에 기인할 수 있습니다.

최근 유리 매트릭스에 분산된 강유전성 나노 결정질을 포함하는 유리-세라믹 나노 복합재(GCN)가 상당한 관심을 받았습니다. 유리 열처리 과정에서 유리 매트릭스 내부에 작은 결정이 형성되고 다공성 수준이 감소하여 GCN에 큰 이점을 제공합니다1,2. 강유전성 재료가 내장된 유리 및 유리-세라믹 시스템은 무선 주파수 필터, 액추에이터, 플래시 메모리 등과 같은 놀라운 응용 분야를 가지고 있습니다.3. 전이금속산화물(TMO)을 함유한 GCN은 하나 이상의 원자가 이온의 결과로 반도체 거동을 나타냅니다. 산화바나듐을 함유한 유리 매트릭스에서는 V4+ ⇔ V5+ 사이의 작은 폴라론 호핑(SPH)으로 인해 발견되었습니다. 형성된 나노결정 프리셉트의 입자 크기는 입자 경계 산란을 최소화하는 입자의 호핑 중심 배열에서 향상된 전기 전도도에 중요한 역할을 합니다.

티탄산납(PbTiO3)은 우수한 유전성, 열적 안정성 및 강유전성 특성을 지닌 페로비스카이트 구조를 가지고 있습니다. 또한 퀴리 온도(490°C)가 높아 변환기와 같은 고온 장치 응용 분야에 적합합니다. 납 티탄산염의 큰 이온 변위는 큰 자연 분극을 생성합니다7,8. 반면, 지난 수십 년 동안 티탄산 바륨(BaTiO3)은 전자 응용 분야에서 기술적 중요성에 대해 많이 연구되었습니다3,9.

유리 형성 능력의 경우, 최대 5mol%의 오산화바나듐(V2O5)은 망상 유리 개질제로 작용하고, 10mol% 이상에서는 망상 형성제 역할을 합니다5. 삼산화붕소(B2O3)는 융해열이 더 작은 붕산염 유리의 기본적인 유리 네트워크 형성자인 반면10 BaTiO3는 유리 형성 능력이 낮습니다3.

우리의 연구 목표는 각각 기존의 용융 담금질 기술과 초기 단계 나노결정화 방법으로 제조된 납/티탄산바륨 도핑 유리/GCN을 연구하는 것입니다. 또한, 티탄산납으로 대체된 티탄산바륨이 무연 재료를 생산하는 데 전기적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 나노결정상의 형성은 결정화 온도에 가까운 온도에서 열 처리를 통해 얻어졌습니다.

x = 0, 2.5, 5, 7.5 및 10 mol%인 (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3를 제조하기 위해 기존의 용융 담금질 기술이 사용되었습니다. PbTiO3, BaTiO3, B2O3(Sigma Aldrich, 99%) 및 V2O5(Fisher Scientific, 99.99%)의 초고순도 산화물 시약 등급은 화학량론적 비율로 계량된 총 10g의 혼합물을 포함하는 출발 화학물질이었습니다. 10분 후. 혼합 후, 공칭 조성의 분말을 백금 도가니에 넣고 머플로(Muffle Furnace)에서 90분간 공기 중에서 1250°C로 가열했습니다. 용융물을 두께 2.0mm의 판형으로 주조하기 위해 스테인레스강 주형을 사용하였다. 니켈 필터링된 Cu Kα 방사선을 사용하는 Siemens D5000 X선 회절계를 사용하여 가속 전압 40kV 및 전류 30mA에서 준비된 유리의 비정질성을 보장했습니다. Shimatzou DSC 50, 시차 주사 열량계는 아르곤 분위기 하에서 10°C/min의 가열 속도로 열 분석에 사용되었습니다. JEOL 2100, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)을 사용하여 유리 매트릭스 내부의 나노 클러스터의 존재를 확인했습니다. 준비된 유리 샘플을 DSC 데이터에 따라 결정화 온도 Tc에 가까운 공기 중에서 350°C에서 2시간 동안 열처리하여 유리-세라믹 나노 복합재(GCN)를 얻었습니다. 유리 및 GCN 샘플은 310-450K 온도 범위에서 Pico-ammeter 유형 KEITHLEY 485를 사용하여 dc 전도성을 위해 은 페이스트로 코팅되었습니다. 실온에서 유리 및 GCNS 샘플은 밀도의 톨루엔을 사용하여 아르키메데스 방법으로 평균 밀도(ρ)를 측정했습니다. 침지액으로서 0.866g/cm3. 밀도 측정은 5회 반복되었습니다.