Titaničnan barnatý - Barium titanate

Titaničnan barnatý
Keramika titaničitanu barnatého v plastovém obalu
Polykrystalický BaTiO3 v plastu
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChemSpider
Informační karta ECHA100.031.783 Upravte to na Wikidata
Číslo ES
  • 234-975-0
Číslo RTECS
  • XR1437333
UNII
Vlastnosti
BaTiO3
Molární hmotnost233,192 g
Vzhledbílé krystaly
Zápachbez zápachu
Hustota6,02 g / cm3, pevný
Bod tání 1625 ° C (2957 ° F; 1898 K)
nerozpustný
Rozpustnostmálo rozpustný ve zředěných minerálních kyselinách; rozpouští se v koncentrované formě kyselina fluorovodíková
Mezera v pásmu3,2 eV (300 K, monokrystal)[1]
nÓ2,412; nE=2.360[2]
Struktura
Tetragonální, tP5
P4mm, č. 99
Nebezpečí
Piktogramy GHSGHS07: Zdraví škodlivý
Signální slovo GHSVarování
H302, H332
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Titaničnan barnatý je anorganická sloučenina s chemický vzorec BaTiO3. Titaničnan barnatý se jeví jako bílý prášek a je průhledný, pokud je připraven jako velké krystaly. Je to feroelektrický keramický materiál, který vystavuje fotorefrakční účinek a piezoelektrický vlastnosti. Používá se v kondenzátory, elektromechanické měniče a nelineární optika.

Struktura

Hlavní článek: Perovskit (struktura)
Struktura kubického BaTiO3. Červené koule jsou oxidová centra, modrá jsou Ti4+ kationty a zelené koule jsou Ba2+.

Pevná látka existuje v jedné ze čtyř polymorfů v závislosti na teplotě. Od vysoké po nízkou teplotu jsou tyto krystalové symetrie čtyř polymorfů krychlový, čtyřúhelníkový, ortorombický a kosodélník Krystalická struktura. Všechny tyto fáze vykazují feroelektrický jev kromě kubické fáze. Nejjednodušší je popsat vysokoteplotní kubickou fázi, protože se skládá z pravidelného oktaedrického TiO se sdíleným rohem6 jednotky, které definují krychli s vrcholy O a hranami Ti-O-Ti. V kubické fázi Ba2+ je umístěn ve středu krychle s nominálem koordinační číslo z 12. Fáze nižší symetrie jsou stabilizovány při nižších teplotách a zahrnují pohyb Ti4+ do polohy mimo střed. Pozoruhodné vlastnosti tohoto materiálu vyplývají z kooperativního chování Ti4+ zkreslení.[3]

Nad teplotou tání má kapalina pozoruhodně odlišnou místní strukturu než pevné formy, přičemž většina tvoří Ti4+ koordinován na čtyři kyslík, ve čtyřbokém TiO4 jednotky, které koexistují s vysoce koordinovanými jednotkami.[4]

Výrobní a manipulační vlastnosti

Skenování snímků elektronové mikroskopie (SEM) zobrazujících částice BaTiO3. Různé morfologie závisí na podmínkách syntézy (srážení, hydrotermální a solventotermální syntéza): velikost a tvar lze měnit změnou koncentrace prekurzorů, reakční teploty a času. Barva (je-li přidána) pomáhá zdůraznit úrovně stupňů šedi. Obecně syntéza titaničitanu barnatého srážením z vodného roztoku umožňuje produkovat částice sférického tvaru s velikostí, kterou lze upravit od několika nanometrů do několika set nanometrů snížením koncentrace reaktantů. Při velmi nízké koncentraci mají částice tendenci vyvíjet morfologii podobnou dendritice, jak je uvedeno na obrázcích.

Titaničnan barnatý lze syntetizovat relativně jednoduše sol – hydrotermální metoda.[5] Titaničnan barnatý lze také vyrobit zahřátím uhličitan barnatý a oxid titaničitý. Reakce probíhá prostřednictvím slinování v kapalné fázi. Monokrystaly lze pěstovat při teplotě přibližně 1100 ° C z roztaveného materiálu fluorid draselný.[6] Ostatní materiály se často přidávají jako dopující látky např. Sr pro poskytnutí pevných roztoků s titaničitan strontnatý. Reaguje s chlorid dusitý a vytváří zelenkavou nebo šedou směs; the feroelektrický vlastnosti směsi jsou v této formě stále přítomny.

Hodně úsilí bylo věnováno studiu vztahu mezi morfologií částic a jejími vlastnostmi. Titaničnan barnatý je jednou z mála keramických sloučenin, o nichž je známo, že se vyskytují abnormální růst zrna, ve kterém velká fazetovaná zrna rostou v matici jemnějších zrn, s hlubokými dopady na zahuštění a fyzikální vlastnosti.[7] Plně hustý nanokrystalický titaničitan barnatý má o 40% vyšší hodnotu permitivita než stejný materiál připravený klasickými způsoby.[8] Přidání inkluzí titaničitanu barnatého do cín Bylo prokázáno, že produkuje sypký materiál s vyšší viskoelastickou hmotou ztuhlost než diamantů. Titaničnan barnatý prochází dvěma fázovými přechody, které mění tvar a objem krystalů. Tato fázová změna vede ke kompozitům, kde titaničitany barnatého mají záporný objemový modul (Youngův modul ), což znamená, že když síla působí na inkluze, dochází k posunu v opačném směru, což dále zpevňuje kompozit.[9]

Jako mnozí oxidy, titaničitan barnatý je nerozpustný ve vodě, ale byl napaden kyselina sírová. Jeho objemová pokojová teplota bandgap je 3,2 eV, ale toto se zvyšuje na ~ 3,5 eV, když se velikost částic zmenší z přibližně 15 na 7 nm.[1]

Použití

Skenování transmisní elektronové mikroskopie ferroelastických domén, které se tvoří v BaTiO3 na chlazení skrz Curieova teplota. Vrcholový bod, kde se setkávají svazky domén, se pohybuje od středu v izometrických krystalech (nahoře) k mimo střed v podlouhlých (dole).[10]

Titaničnan barnatý je a dielektrikum keramika použitá v kondenzátory, s hodnotami dielektrické konstanty až 7 000. V úzkém teplotním rozsahu jsou možné hodnoty až 15 000; nejběžnější keramické a polymerní materiály jsou méně než 10, zatímco jiné, jako je oxid titaničitý (TiO2), mají hodnoty mezi 20 a 70.[11]

Je to piezoelektrický materiál použitý v mikrofony a další měniče. Spontánní polarizace monokrystalů titaničitanu barnatého při teplotě místnosti mezi 0,15 C / m2 v dřívějších studiích,[12] a 0,26 C / m2 v novějších publikacích,[13] a jeho Curieova teplota je mezi 120 a 130 ° C. Rozdíly souvisí s technikou růstu, s dříve tok rostl krystaly jsou méně čisté než současné krystaly pěstované s Czochralského proces,[14] které proto mají větší spontánní polarizaci a vyšší Curieovu teplotu.

Jako piezoelektrický materiál, byl do značné míry nahrazen olovo zirkoničitan titaničitý, také známý jako PZT. Polykrystalický titaničitan barnatý má pozitivní účinek teplotní koeficient odporu, což z něj činí užitečný materiál termistory a samoregulační elektrické topné systémy.

Krystaly titaničitanu barnatého nacházejí použití v nelineární optika. Materiál má vysoký zisk vazby paprsku a lze jej provozovat při viditelných vlnových délkách a vlnových délkách blízkých infračervenému záření. Má nejvyšší odrazivost materiálů použitých pro vlastní čerpání konjugace fází (SPPC) aplikace. Může být použit pro kontinuální vlnění čtyřvlnné míchání s optickým výkonem v rozsahu milliwattů. U fotorefraktivních aplikací může být titaničitan barnatý dotován různými dalšími prvky, např. žehlička.[15]

Tenké filmy displeje titaničitanu barnatého elektrooptická modulace na frekvence nad 40 GHz.[16]

Pyroelektrické a feroelektrické vlastnosti titaničitanu barnatého se používají u některých typů nechlazených senzorů pro termální kamery.

Uvádí se, že vysoce čistý prášek titaničitanu barnatého je klíčovou součástí nových systémů skladování energie kondenzátoru titaničitanu barnatého pro použití v elektrických vozidlech.[17]

Kvůli jejich zvýšené biokompatibilita, titaničitan barnatý nanočástice (BTNP) byly nedávno použity jako nanonosiče pro dodávka léků.[18]

Magnetoelektrický účinek obrovských sil byl hlášen u tenkých vrstev pěstovaných na substrátech barnatého titaničitanu.[19][20]

Přirozený výskyt

Barioperovskit je velmi vzácný přírodní analog BaTiO3, nalezené jako mikroinkluze v benitoit.[21]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Suzuki, Keigo; Kijima, Kazunori (2005). „Mezera mezi optickými pásy nanočástic titaničitanu barnatého připravená chemickou depozicí par pomocí RF-plazmy“. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (4A): 2081–2082. Bibcode:2005JaJAP..44.2081S. doi:10.1143 / JJAP.44.2081.
  2. ^ Tong, Xingcun Colin (2013). Pokročilé materiály pro integrované optické vlnovody. Springer Science & Business Media. p. 357. ISBN  978-3-319-01550-7.
  3. ^ Manuel Gaudon. Out-of-center zkreslení kolem oktaedricky koordinovaného Ti4 + v BaTiO3. Polyhedron, Elsevier, 2015, 88, s. 6-10. <10.1016 / j.poly.2014.12.004>.
  4. ^ Alderman O L G; Benmore C; Neuefeind J; Tamalonis A; Weber R (2019). "Roztavený titaničitan barnatý: vysokotlaký analog kapalného křemičitanu". Journal of Physics: Condensed Matter. 31 (20): 20LT01. doi:10.1088 / 1361-648X / ab0939. OSTI  1558227. PMID  30790768.
  5. ^ Selvaraj, M .; Venkatachalapathy, V .; Mayandi, J .; Karazhanov, S .; Pearce, J. M. (2015). „Příprava meta-stabilních fází titaničitanu barnatého sol-hydrotermální metodou“. Zálohy AIP. 5 (11): 117119. Bibcode:2015AIPA .... 5k7119S. doi:10.1063/1.4935645.
  6. ^ Galasso, Francis S. (1973). Titaničnan barnatý, BaTiO3. Anorganické syntézy. 14. 142–143. doi:10.1002 / 9780470132456.ch28. ISBN  9780470132456.
  7. ^ Journal of Crystal Growth 2012, ročník 359, strany 83-91, abnormální růst zrna
  8. ^ Nyutu, Edward K .; Chen, Chun-Hu; Dutta, Prabir K .; Suib, Steven L. (2008). "Vliv mikrovlnné frekvence na hydrotermální syntézu nanokrystalického tetragonálního barnatého titanátu". The Journal of Physical Chemistry C. 112 (26): 9659. CiteSeerX  10.1.1.660.3769. doi:10.1021 / jp7112818.
  9. ^ Jaglinski, T .; Kochmann, D .; Stone, D .; Lakes, R. S. (2007). "Kompozitní materiály s viskoelastickou tuhostí větší než diamant". Věda. 315 (5812): 620–2. Bibcode:2007Sci ... 315..620J. CiteSeerX  10.1.1.1025.8289. doi:10.1126 / science.1135837. PMID  17272714. S2CID  25447870.
  10. ^ Scott, J. F .; Schilling, A .; Rowley, S.E .; Gregg, J. M. (2015). „Některé aktuální problémy v perovskitové nano-feroelektrice a multiferroice: kineticky omezené systémy konečné konečné velikosti“. Věda a technologie pokročilých materiálů. 16 (3): 036001. Bibcode:2015STAdM..16c6001S. doi:10.1088/1468-6996/16/3/036001. PMC  5099849. PMID  27877812.
  11. ^ Waugh, Mark D (2010). „Návrhová řešení pro stejnosměrné předpětí ve vícevrstvých keramických kondenzátorech“ (PDF). Časy elektronického inženýrství.
  12. ^ von Hippel, A. (01.07.1950). "Feroelektřina, struktura domény a fázové přechody barnatanu titaničitého". Recenze moderní fyziky. 22 (3): 221–237. Bibcode:1950RvMP ... 22..221V. doi:10.1103 / RevModPhys.22.221.
  13. ^ Shieh, J .; Yeh, J. H .; Shu, Y. C .; Yen, J. H. (2009-04-15). "Chování hystereze monokrystalů titaničitanu barnatého na základě provozu více 90 ° spínacích systémů". Věda o materiálech a inženýrství: B. Sborník společných jednání z 2. mezinárodní konference o vědě a technologii pro pokročilou keramiku (STAC-II) a 1. mezinárodní konference o vědě a technologii pevných povrchů a rozhraní (STSI-I). 161 (1–3): 50–54. doi:10.1016 / j.mseb.2008.11.046. ISSN  0921-5107.
  14. ^ Godefroy, Geneviève (1996). „Ferroélectricité“. Techniques de l'Ingénieur Matériaux Pour l'Électronique et Dispositifs Associés (francouzsky). základní dokument: TIB271DUO. (ref. článek: e1870).
  15. ^ „Fe: LiNbO3 Krystal". redoptronics.com.
  16. ^ Tang, Pingsheng; Towner, D .; Hamano, T .; Meier, A .; Wessels, B. (2004). „Elektrooptická modulace do 40 GHz v modulátoru tenkovrstvého vlnovodu s barnatým titanátem“. Optika Express. 12 (24): 5962–7. Bibcode:2004Oexpr..12,5962T. doi:10.1364 / OPEX.12.005962. PMID  19488237.
  17. ^ „Kompatibilita nanočástic: Nová technika zpracování nanokompozitů vytváří výkonnější kondenzátory“. gatech.edu. 26.dubna 2007. Citováno 2009-06-06.
  18. ^ Genchi, G.G .; Marino, A .; Rocca, A .; Mattoli, V .; Ciofani, G. (5. května 2016). „Nanočástice barnatan titaničitý: Slibné multitaskingové vektory v nanomedicíně“. Nanotechnologie. 27 (23): 232001. Bibcode:2016Nanot..27w2001G. doi:10.1088/0957-4484/27/23/232001. ISSN  0957-4484. PMID  27145888.
  19. ^ Eerenstein, W .; Mathur, N. D .; Scott, J. F. (srpen 2006). "Multiferroické a magnetoelektrické materiály". Příroda. 442 (7104): 759–765. Bibcode:2006 Natur.442..759E. doi:10.1038 / nature05023. ISSN  1476-4687. PMID  16915279. S2CID  4387694.
  20. ^ Rafique, Mohsin (květen 2017). "Magnetoelektrická odezva při pokojové teplotě v nanokompozitech řízených deformací". Aplikovaná fyzikální písmena. 110 (20): 202902. doi:10.1063/1.4983357.
  21. ^ Ma, Chi; Rossman, George R. (2008). „Barioperovskite, BaTiO3, nový minerál z dolu Benitoite v Kalifornii “. Americký mineralog. 93 (1): 154–157. Bibcode:2008AmMin..93..154M. doi:10.2138 / am.2008.2636. S2CID  94469497.

externí odkazy