チタン酸鉛/バリウムをドープしたホウ酸バナジウムガラスの電気特性を強化する方法としての初期段階のナノ結晶化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12498 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

従来の溶融急冷ガラスの熱処理中に、(10 − x) BaTiO3 (BT)-xPbTiO3 (PT)-60V2O5-30B2O3 (x = 0、2.5、5、7.5、および 10 mol%) のガラスセラミックナノ複合体 (GCN) が形成されました。 。 X 線回折を使用して、ガラスと GCN の形成を確認しました。 ガラスと GCN の密度はアルキメデスの原理によって測定されました。 ホウ酸バナジウムガラスマトリックスへのチタン酸鉛および/またはチタン酸バリウムの微細な極性クラスターの組み込みは、組成に強く依存します。 初期ガラスの導電率は、DSC 法によって決定される結晶化温度に近い温度でのナノ結晶化の適切な初期段階によって大幅に改善できることが判明しました。 GCN は、BaTiO3 含有量の関数として、電気伝導度の大幅な増加 (最大 6 桁) を示します。 BaTiO3 含有量を増やすと、活性化エネルギー値が増加することがわかっています。 GCN の電気伝導率の向上は、ガラス質マトリックスの結晶相が増加し、V イオン対の濃度が増加したことに起因すると考えられます。

最近、ガラスマトリックス中に分散された強誘電性ナノ微結晶を含むガラスセラミックナノ複合材料（GCN）が大きな関心を集めています。 ガラス熱処理のプロセス中に、ガラスマトリックスの内部に小さな結晶が形成され、また、気孔率のレベルが低下し、これが GCN1、2 に大きな利点をもたらします。 強誘電体材料が埋め込まれたガラスおよびガラス セラミック システムには、高周波フィルター、アクチュエーター、フラッシュ メモリなどの注目すべき用途があります3。 遷移金属酸化物 (TMO) を含む GCN は、1 価以上のイオンの結果として半導体挙動を示します。 酸化バナジウムを含むガラスマトリックスでは、V4+ ↔ V5+ 間の小さなポーラロンホッピング (SPH) により伝導が見られます。 形成されたナノ結晶教訓の粒径は、粒子が粒界散乱を最小限に抑えるホッピング中心の配置で導電性の向上に重要な役割を果たします4、5、6。

チタン酸鉛 (PbTiO3) は、優れた誘電性、熱安定性、強誘電性を備えたペロビスカイト構造を持っています。 さらに、キュリー温度 (490 °C) が高いため、トランスデューサーなどの高温デバイスの用途に適しています。 チタン酸鉛の大きなイオン変位により、大きな自発分極が生じます7,8。 一方、チタン酸バリウム (BaTiO3) は、エレクトロニクス用途における技術的重要性について、ここ数十年間で盛んに研究されてきました 3,9。

ガラス形成能力については、五酸化バナジウム (V2O5) が 5 mol% まではネットワーク ガラス修飾剤として機能し、10 mol% を超えるとネットワーク形成剤として機能します5。 三酸化ホウ素 (B2O3) は、融解熱が小さいホウ酸塩ガラスの基本的なガラスネットワーク形成剤 10 ですが、BaTiO3 はガラス形成能力が劣ります 3。

私たちの研究は、それぞれ従来の溶融急冷技術と初期段階のナノ結晶化法によって調製された鉛/チタン酸バリウムドープガラス/GCNを研究することを目的としています。 さらに、鉛フリー材料を製造するためにチタン酸鉛に置換されたチタン酸バリウムの電気的特性に及ぼす影響を調査した。 ナノ結晶相の形成は、結晶化温度に近い温度での十分な熱処理によって得られた。

従来の溶融急冷技術を使用して、(10 − x) BaTiO3 (BT)-xPbTiO3 (PT)-60V2O5-30B2O3 (x = 0、2.5、5、7.5、および 10 mol%) を調製しました。 超高純度酸化物試薬グレードの PbTiO3、BaTiO3、B2O3 (Sigma Aldrich、99%) および V2O5 (Fisher Scientific、99.99%) を化学量論比で計量した合計 10 g の混合物を含む出発化学物質として使用しました。 10分後混合後、公称組成の粉末を白金るつぼに入れ、空気中、マッフル炉内で 1250 °C で 90 分間加熱しました。 ステンレス鋼製の鋳型を使用して、溶融物を厚さ２．０ｍｍの板状に鋳造した。 ニッケルフィルターされたＣｕ Ｋα線を備えたＳｉｅｍｅｎｓ Ｄ５０００ Ｘ線回折計を使用して、４０ｋＶの加速電圧および３０ｍＡの電流の下で​​、調製されたガラスの非晶質性を確認した。 Shimatzou DSC 50、示差走査熱量計を、アルゴン雰囲気下で 10 °C/分の加熱速度で熱分析に使用しました。 JEOL 2100、高解像度透過型電子顕微鏡 (HRTEM) を使用して、ガラス マトリックス内部のナノクラスターの存在を確認しました。 調製したままのガラスサンプルを、DSC データに従って結晶化温度 Tc 付近で空気中で 350 °C で 2 時間熱処理し、ガラスセラミックナノ複合材料 (GCN) を得ました。 ガラスおよびGCNSサンプルは、310〜450 Kの温度範囲でピコ電流計タイプKEITHLEY 485を使用して、DC導電性を得るために銀ペーストでコーティングされました。室温で、ガラスおよびGCNSサンプルの平均密度（ρ）は、密度のトルエンを使用したアルキメデス法によって測定されました。浸漬液として 0.866 g/cm3。 密度測定を５回繰り返した。