Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Титанат бария
Керамика из титаната бария в пластиковой упаковке
Поликристаллический BaTiO 3 в пластике
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.031.783 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 234-975-0
Номер RTECS
  • XR1437333
UNII
Характеристики
BaTiO 3
Молярная масса233,192 г
Внешностьбелые кристаллы
Запахбез запаха
Плотность6,02 г / см 3 , твердый
Температура плавления 1625 ° С (2957 ° F, 1898 К)
нерастворимый
Растворимостьмало растворим в разбавленных минеральных кислотах; растворяется в концентрированной плавиковой кислоте
Ширина запрещенной зоны3,2 эВ (300 К, монокристалл) [1]
п о 2.412; n e = 2,360 [2]
Структура
Тетрагональный , tP5
П4мм, №99
Опасности
Пиктограммы GHSGHS07: Вредно
Сигнальное слово GHSПредупреждение
H302 , H332
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Титанат бария ( BTO ) - неорганическое соединение с химической формулой BaTiO 3 . Титанат бария выглядит белым в виде порошка и прозрачным при приготовлении в виде крупных кристаллов. Это сегнетоэлектрический керамический материал, который проявляет фоторефрактивный эффект и пьезоэлектрические свойства. Он используется в конденсаторах , электромеханических преобразователях и нелинейной оптике .

Структура [ править ]

Основная статья: Перовскит (структура)
Структура кубического BaTiO 3 . Красные сферы - это оксидные центры, синие - катионы Ti 4+ , а зеленые сферы - Ba 2+ .

Твердое вещество существует в одном из четырех полиморфов в зависимости от температуры. От высокой до низкой температуры эти кристаллические симметрии четырех полиморфов имеют кубическую , тетрагональную , орторомбическую и ромбоэдрическую кристаллическую структуру . Все эти фазы, кроме кубической, обладают сегнетоэлектрическим эффектом . Легче всего описать высокотемпературную кубическую фазу, так как она состоит из обычных октаэдрических единиц TiO 6 с общими углами, которые определяют куб с вершинами O и ребрами Ti-O-Ti. В кубической фазе Ba 2+ находится в центре куба с номинальным координационным числомиз 12. Фазы с более низкой симметрией стабилизируются при более низких температурах и включают перемещение Ti 4+ в нецентральные положения. Замечательные свойства этого материала проистекают из кооперативного поведения искажений Ti 4+ . [3]

Выше точки плавления жидкость имеет локальную структуру, заметно отличающуюся от твердых форм, с большей частью Ti 4+, координированной с четырьмя атомами кислорода в тетраэдрических единицах TiO 4 , которые сосуществуют с более высококоординированными единицами. [4]

Производственные и складские помещения [ править ]

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), демонстрирующие частицы BaTiO 3 . Различные морфологии зависят от условий синтеза (осаждение, гидротермальный и сольвотермический синтез): размер и форма могут быть изменены путем изменения концентрации прекурсоров, температуры реакции и времени. Цвет (если добавлен) помогает подчеркнуть уровни оттенков серого. Как правило, синтез титаната бария осаждением из водного раствора позволяет получать частицы сферической формы с размером, который может быть изменен от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров за счет уменьшения концентрации реагентов. При очень низкой концентрации частицы имеют тенденцию к развитию дендритной морфологии, как показано на изображениях.

Титанат бария может быть синтезирован относительно простым золь-гидротермальным методом. [5] Титанат бария можно также получить путем нагревания карбоната бария и диоксида титана . Реакция протекает через жидкофазное спекание . Монокристаллы можно выращивать при температуре около 1100 ° C из расплавленного фторида калия . [6] В качестве легирующих добавок часто добавляют другие материалы , например Sr, для образования твердых растворов с титанатом стронция . Он реагирует с трихлоридом азота и образует зеленоватую или серую смесь; сегнетоэлектрика свойства смеси все еще присутствуют в этой форме.

Много усилий было потрачено на изучение взаимосвязи между морфологией частицы и ее свойствами. Титанат бария - одно из немногих керамических соединений, которые, как известно, демонстрируют аномальный рост зерен , при котором большие фасеточные зерна растут в матрице из более мелких зерен, что оказывает серьезное влияние на уплотнение и физические свойства. [7] Полностью плотный нанокристаллический титанат бария имеет на 40% большую диэлектрическую проницаемость, чем тот же материал, полученный классическим способом. [8] Было показано, что добавление включений титаната бария к олову дает объемный материал с более высокой вязкоупругой жесткостью.чем у бриллиантов. Титанат бария претерпевает два фазовых перехода, которые изменяют форму и объем кристалла. Это фазовое изменение приводит к композитам, в которых титанаты бария имеют отрицательный модуль объемной упругости ( модуль Юнга ), а это означает, что когда на включения действует сила, происходит смещение в противоположном направлении, что еще больше увеличивает жесткость композита. [9]

Как и многие оксиды , титанат бария нерастворим в воде, но подвержен действию серной кислоты . Его объемная ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 3,2 эВ, но она увеличивается до ~ 3,5 эВ, когда размер частиц уменьшается примерно с 15 до 7 нм. [1]

Использует [ редактировать ]

Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия сегнетоэластичных доменов, образующихся в BaTiO 3 при охлаждении до температуры Кюри . Точка вершины, где встречаются пучки доменов, перемещается от центра в изометрических кристаллах (вверху) к нецентру в продолговатых кристаллах (внизу). [10]

Титанат бария представляет собой диэлектрическую керамику, используемую в конденсаторах , со значением диэлектрической проницаемости до 7000. В узком диапазоне температур возможны значения до 15000; наиболее распространенные керамические и полимерные материалы имеют значения менее 10, в то время как другие, такие как диоксид титана (TiO 2 ), имеют значения от 20 до 70. [11]

Это пьезоэлектрический материал, используемый в микрофонах и других преобразователях . Спонтанная поляризация монокристаллов титаната бария при комнатной температуре находится в диапазоне от 0,15 C / м 2 в более ранних исследованиях [12] до 0,26 C / м 2 в более поздних публикациях [13], а его температура Кюри составляет от 120 до 130 ° C. . Различия связаны с техникой роста, с ранее потоком выращенных кристаллов быть менее чистыми , чем современные кристаллы , выращенных с процессом Чохральского , [14] , который , следовательно , имеет большую спонтанную поляризацию и более высокую температуру Кюри.

В качестве пьезоэлектрического материала он был в значительной степени заменен титанатом цирконата свинца , также известным как PZT. Поликристаллический титанат бария имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, что делает его полезным материалом для термисторов и саморегулирующихся систем электрического отопления.

Кристаллы титаната бария находят применение в нелинейной оптике . Материал имеет высокий коэффициент передачи луча и может работать в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Он имеет самый высокий коэффициент отражения среди материалов, используемых для систем фазового сопряжения с автоматической накачкой (SPPC). Его можно использовать для непрерывного четырехволнового смешения с оптической мощностью в милливаттном диапазоне. Для фоторефрактивных применений титанат бария может быть легирован различными другими элементами, например железом . [15]

Тонкие пленки титаната бария демонстрируют электрооптическую модуляцию до частот более 40 ГГц. [16]

Пироэлектрические и сегнетоэлектрические свойства титаната бария используются в некоторых типах неохлаждаемых датчиков для тепловизионных камер .

Сообщается, что порошок титаната бария высокой чистоты является ключевым компонентом новых конденсаторных систем накопления энергии из титаната бария для использования в электромобилях. [17]

Из-за их повышенной биосовместимости наночастицы титаната бария (BTNP) в последнее время использовались в качестве наноносителей для доставки лекарств . [18]

Магнитоэлектрический эффект гигантской силы был обнаружен в тонких пленках, выращенных на подложках из титаната бария. [19] [20]

Естественное явление [ править ]

Бариоперовскит - очень редкий природный аналог BaTiO 3 , обнаруженный в виде микровключений в бенитоите . [21]

См. Также [ править ]

  • Титанат стронция
  • Цирконат титанат свинца

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Сузуки, Кейго; Кидзима, Кадзунори (2005). "Оптическая запрещенная зона наночастиц титаната бария, полученных методом химического осаждения из паровой фазы с помощью высокочастотной плазмы". Jpn. J. Appl. Phys . 44 (4A): 2081–2082. Bibcode : 2005JaJAP..44.2081S . DOI : 10,1143 / JJAP.44.2081 .
  2. ^ Tong, Xingcun Colin (2013). Современные материалы для интегрированных оптических волноводов . Springer Science & Business Media. п. 357. ISBN. 978-3-319-01550-7.
  3. ^ Мануэль Годон. Нецентральные искажения вокруг октаэдрически координированного Ti4 + в BaTiO3. Polyhedron, Elsevier, 2015, 88, с. 6-10. <10.1016 / j.poly.2014.12.004>. <hal-01112286>
  4. ^ Олдермен OLG; Бенмор С; Neuefeind J; Тамалонис А; Вебер Р. (2019). «Расплав титаната бария: аналог жидкого силиката высокого давления». Журнал физики: конденсированное вещество . 31 (20): 20LT01. DOI : 10,1088 / 1361-648X / ab0939 . ОСТИ 1558227 . PMID 30790768 .  
  5. ^ Selvaraj, M .; Venkatachalapathy, V .; Mayandi, J .; Каражанов, С .; Пирс, JM (2015). «Приготовление метастабильных фаз титаната бария золь-гидротермальным методом» . Продвижение AIP . 5 (11): 117119. Bibcode : 2015AIPA .... 5k7119S . DOI : 10.1063 / 1.4935645 .
  6. ^ Галассо, Фрэнсис С. (1973). Титанат бария, BaTiO 3 . Неорганические синтезы. 14 . С. 142–143. DOI : 10.1002 / 9780470132456.ch28 . ISBN 9780470132456.
  7. ^ Журнал роста кристаллов 2012, том 359, страницы 83-91, аномальный рост зерна
  8. ^ Нюту, Эдвард К .; Чен, Чун-Ху; Dutta, Prabir K .; Суиб, Стивен Л. (2008). "Влияние частоты микроволн на гидротермальный синтез нанокристаллического тетрагонального титаната бария". Журнал физической химии C . 112 (26): 9659. CiteSeerX 10.1.1.660.3769 . DOI : 10.1021 / jp7112818 . 
  9. ^ Яглински, Т .; Kochmann, D .; Stone, D .; Озера, RS (2007). «Композиционные материалы с вязкоупругой жесткостью выше алмаза». Наука . 315 (5812): 620–2. Bibcode : 2007Sci ... 315..620J . CiteSeerX 10.1.1.1025.8289 . DOI : 10.1126 / science.1135837 . PMID 17272714 . S2CID 25447870 .   
  10. ^ Скотт, JF; Шиллинг, А .; Роули, ЮВ; Грегг, JM (2015). «Некоторые актуальные проблемы перовскитных нано-сегнетоэлектриков и мультиферроиков: кинетически ограниченные системы конечного латерального размера» . Наука и технология перспективных материалов . 16 (3): 036001. Bibcode : 2015STAdM..16c6001S . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 16/3/036001 . PMC 5099849 . PMID 27877812 .  
  11. Перейти ↑ Waugh, Mark D (2010). «Конструкторские решения для постоянного смещения в многослойных керамических конденсаторах» (PDF) . Electronic Engineering Times .
  12. ^ фон Хиппель, А. (1950-07-01). «Сегнетоэлектричество, доменная структура и фазовые переходы титаната бария». Обзоры современной физики . 22 (3): 221–237. Bibcode : 1950RvMP ... 22..221V . DOI : 10.1103 / RevModPhys.22.221 .
  13. ^ Shieh, J .; Ага, JH; Shu, YC; Йен, Дж. Х. (15 апреля 2009 г.). «Гистерезисное поведение монокристаллов титаната бария на основе работы нескольких систем переключения под углом 90 °». Материалы Наука и техника: B . Труды совместного заседания 2-й Международной конференции по науке и технологиям для перспективной керамики (STAC-II) и 1-й Международной конференции по науке и технологиям твердых поверхностей и интерфейсов (STSI-I). 161 (1–3): 50–54. DOI : 10.1016 / j.mseb.2008.11.046 . ISSN 0921-5107 . 
  14. ^ Годфруа, Женевьева (1996). "Ferroélectricité". Techniques de l'Ingénieur Matériaux Pour l'Electronique et Dispositifs Associés (на французском языке). базовый документар: TIB271DUO. (см. статью: e1870).
  15. ^ "Fe: кристалл LiNbO 3 " . redoptronics.com .
  16. ^ Тан, Пиншэн; Towner, D .; Хамано, Т .; Meier, A .; Весселс, Б. (2004). «Электрооптическая модуляция до 40 ГГц в тонкопленочном волноводном модуляторах из титаната бария» . Оптика Экспресс . 12 (24): 5962–7. Bibcode : 2004OExpr..12.5962T . DOI : 10.1364 / OPEX.12.005962 . PMID 19488237 . 
  17. ^ «Совместимость наночастиц: новая технология обработки нанокомпозита создает более мощные конденсаторы» . gatech.edu . 26 апреля 2007 . Проверено 6 июня 2009 .
  18. ^ Genchi, GG; Марино, А .; Rocca, A .; Mattoli, V .; Чофани, Г. (5 мая 2016 г.). «Наночастицы титаната бария: многозадачные векторы в наномедицине». Нанотехнологии . 27 (23): 232001. Bibcode : 2016Nanot..27w2001G . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 27/23/232001 . ISSN 0957-4484 . PMID 27145888 .  
  19. ^ Eerenstein, W .; Матур, Северная Дакота; Скотт, Дж. Ф. (август 2006 г.). «Мультиферроики и магнитоэлектрические материалы». Природа . 442 (7104): 759–765. Bibcode : 2006Natur.442..759E . DOI : 10,1038 / природа05023 . ISSN 1476-4687 . PMID 16915279 . S2CID 4387694 .   
  20. ^ Rafique, Mohsin (май 2017). «Гигантский магнитоэлектрический отклик при комнатной температуре в нанокомпозитах с контролируемой деформацией». Письма по прикладной физике . 110 (20): 202902. DOI : 10,1063 / 1,4983357 .
  21. ^ Ма, Чи; Россман, Джордж Р. (2008). «Бариоперовскит, BaTiO 3 , новый минерал из рудника Бенитоит, Калифорния». Американский минералог . 93 (1): 154–157. Bibcode : 2008AmMin..93..154M . DOI : 10,2138 / am.2008.2636 . S2CID 94469497 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Совместимость наночастиц: новая технология обработки нанокомпозитов позволяет создавать более мощные конденсаторы
  • Конденсаторные батареи "мгновенного заряда" EEStor