ナノの構築と特性評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9048 (2023) この記事を引用

1040 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

楕円形ナノ形態の優れた二相フェライト/強誘電体 BaTi0.7Fe0.3O3@NiFe2O4 (BFT@NFO) を、制御されたゾルゲルプロセスを使用して化学合成し、600 °C で焼成しました。 BaTi0.7Fe0.3O3 (BTF) ナノペロブスカイトの微細構造、相転移、熱、および比誘電率に対する NiFe2O4 (NFO) ナノ粒子を使用したシールドの効果を体系的に調査しました。 X 線回折パターンと Full-Prof ソフトウェアは、BaTi2Fe4O11 六方晶相の形成を示しました。 TEM および SEM 画像は、BaTi0.7Fe0.3O3 のコーティングが精巧なナノ楕円形の NiFe2O4 形状で首尾よく制御されていることを実証しました。 NFO シールドは、BFT@NFO 過磁性ナノ複合材料の熱安定性と比誘電率を大幅に向上させ、キュリー温度を低下させます。 熱重量分析と光学分析を使用して、熱安定性をテストし、有効な光学パラメーターを推定しました。 磁気研究では、NiFe2O4 NP の飽和磁化がバルク系と比較して減少していることが示されており、これは表面スピンの乱れに起因すると考えられます。 ここでは、化学的に調整されたナノ楕円形のチタン酸バリウム - 鉄@ニッケル フェライト ナノ複合材料を使用して、過酸化物酸化検出の評価を評価するために、特性評価と高感度電気化学センサーを構築しました。 最後に、BFT@NFO は優れた電気化学的特性を示しました。これは、2 つの電気化学活性成分および/または可能な酸化状態と相乗効果を通じて電気化学をさらに改善できる粒子のナノ楕円構造を有するこの化合物に起因すると考えられます。 この結果は、BTF が NFO ナノ粒子でシールドされると、ナノ楕円形 BaTi0.7Fe0.3O3@NiFe2O4 ナノ複合材料の熱的、誘電的、電気化学的特性が同時に発現できることを主張しています。 したがって、過酸化水素を測定するための超高感度電気化学ナノシステムの製造は非常に重要です。

近年、ペロブスカイト材料がよく研究されています。 最も著名な ABO3 強誘電体材料は、その幾何学的および電子的安定性、水溶液および非水溶液中での高い溶解耐性、およびコスト効率により、触媒としてかなりの注目を集めています。 強磁性と強誘電性が室温で共存する結晶性マルチフェロイック化合物が稀に存在します1。 このような化合物は、情報ストレージ、スピントロニクス、および多状態メモリストレージデバイスの発展途上の分野での応用の可能性があるため、現在集中的に研究されています2、3。 ペロブスカイトセラミックの室温における強磁性と強誘電性を改善するために多大な試みが行われてきました。 優れたマルチフェロイック効率を備えた材料合成の可能性を探るために、さまざまなアプローチが進行中です。 磁気ドーピングの別の可能な方法は、強誘電体材料を介した TM (遷移金属) イオン (Fe3+、Co2+、Ni2+、Mn2+ など) です。

トランスデューサ、弾性表面波 (SAW)、強誘電体ランダム アクセス メモリ (FeRAM) デバイスなどの技術用途に圧電効果と高い誘電率を示す強誘電体材料の主要なクラスです6。 ペロブスカイト ABO3 の組成では、両方のカチオン (A と B) が存在しますが、A 原子は B 原子よりも大きくなります。 Fe3+ のイオン半径 (0.645 Å) は Ti4+ (0.605 Å) よりも大きいのに対し、Ba2+ のイオン半径はさらに大きくなります (1.35 Å)。 BTO は一般的な ABO3 構造を持ち、Ba2+ と O2− イオンが最密立方格子を形成し、Ti4+ イオンが酸素 (O2−) で生成された八面体の穴を占めます。 BaTiO3 構造は、多面体間の 12 重の空洞内で Ba2+ イオンと八面体を共有する TiO6 コーナーの三次元配列を持っています。 原子の配置は、A2+ イオンと O2- イオンの最密配列として知られています7。 BTO の特性は、その構造とサイズに加えて、その化学組成によって決まります。 同等の元素をドーピングすると、ペロブスカイト材料は、成分の化学状態と試料の表面化学に基づいて、BaTiO3 として興味深い電気特性を示します。 しかし、これらのナノ材料の主な現象は、ABO3 の A および B サイトのカチオンが部分的に置換されること、および珍しい混合酸化状態の結晶構造の安定性を維持する能力です 8,9。 バルク材料中の Ba、Ti、Fe、および O イオンの興味深い側面が、電子欠乏と表面毒性の両方に関して議論されています。 いくつかの最近の研究は、Fe3+ イオンがドープされた焼成 BaTiO3 ナノ材料の化学分析 (ESCA) のための光電子分光法に基づいて行われています 9,10,11,12。 ESCA または XPS は、構成元素の化学状態または原子価状態に関する情報とコアレベルの電子情報を取得するために使用できる表面形態学的手法です9、10、11、12。 純粋な BaTiO3 はイオン伝導率が低く、室温では絶縁体として機能します。 欠陥モデルは、アクセプター不純物による Ti サイトの置換が、イオン伝導性と電子伝導性の両方を増加させる電荷キャリアと酸素空孔の形成の理由であることを示しています。 支配的な電荷キャリアは、合成条件と、アクセプターとドナーの意図しない不純物の量に依存します。 BaTiO3 セラミックでは、通常、Fe3+ イオンが Ti4+ に置き換わり、Fe3+ イオンは 3 + 価数を持つと考えられます。 したがって、ペロブスカイト構造の電荷の中性を維持するには、酸素空孔を作成する必要があります (BaTi1-xFexO3-δ、δ-酸素空孔)。 アブデル・アールら。 2014 年は、ゾルゲル法による BaTi1-xFexO3 の調製に成功しました。この場合、3 価のイオン (Fe3+) が 4 価のイオン Ti4+ を置き換え、酸素空孔を生成して化合物の電荷の中性を維持します 13。