Холодкова А.А.

Синтез нанокристаллического BaTiO3 в среде субкритического пара воды
Холодкова Анастасия Андреевна
Младший научный сотрудник
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
химический факультет, Москва, Россия
E-mail: kholodkova@kge.msu.ru
Титанат бария широко известен сегнетоэлектрическими свойствами, которые
обусловили его использование в микроэлектронике. В настоящей работе представлены
возможности нового метода синтеза микро- и нанокристаллического BaTiO3 высокой
чистоты в среде насыщенного пара воды [1,2] и проведено сравнение с известным
гидротермальным способом получения титаната бария в водном растворе [3]. Синтез
мелкокристаллического BaTiO3 поводился путем термопаровой обработки смеси
порошков TiO2 с различной морфологией и BaO при 230°С и давлении пара 2,8 МПа в
течение 20 часов. BaTiO3, полученный в атмосфере пара воды, состоял из агрегатов
частиц округлой формы или имеющих слабо выраженную кубическую огранку. Для
синтезированных образцов титаната характерно узкое распределение частиц по размеру
со средним значением от 43 до 110 нм, напрямую связанным с размером кристаллов
исходного TiO2. Кристаллы, синтезированные в тех же условиях, в жидкой фазе, имели
более широкое размерное распределение, со средним значением около 206 нм.
Содержание воды и гидроксильных групп в структуре кристаллов титаната бария,
полученных в паре (0,25 масс.%), было значительно ниже, чем в BaTiO3,
синтезированном в гидротермальных условиях (1,91 масс.%). Методом искрового
плазменного спекания (ИПС) из синтезированных образцов BaTiO3 были изготовлены
керамические пластины для измерения диэлектрической проницаемости. Порошки
BaTiO3, синтезированные в атмосфере пара воды, имели наибольшую скорость усадки в
интервале температур 1015-1030°С, что значительно ниже, чем в случае
синтезированных в жидкой фазе (выше 1070°С). Методом ИПС были изготовлены
образцы плотной керамики, имеющие плотность 97-99 % от теоретической. Размер зерен
керамики в образцах, полученных из термопарового BaTiO3, составил 85-130 нм, для
гидротермального – около 240 нм. Величина диэлектрической проницаемости
керамических образцов из BaTiO3, измеренной на частоте 1 МГц при 20С, возрастает с
увеличением размера зерен в соответствии с размерным эффектом [4] и для титаната,
синтезированного в паре воды, достигает значения 1010. Таким образом, метод синтеза в
паре воды позволяет получать однородные нано- и микрокристаллы BaTiO3 высокой
чистоты (99,99%) с низким содержанием воды в структуре. Это соответствует
требованиям к порошку BaTiO3 для получения сегнетоэлектрической керамики [5].
1.
2.
3.
4.
Литература
Kholodkova, A. et al. Study of crystalline barium titanate formation in water vapour
conditions, NANOCON 2012 Conference proceedings, Tanger Ltd., Ostrava, 2013, 66-72.
Kholodkova, A. et al. Synthesis of fine-crystalline tetragonal barium titanate in low-density
water fluid, 14th EMSF proceedings, Marseille, 2014, p. 124.
Chen, K.-Y. et al. Preparation of barium titanate ultrafine particles from rutile titania by a
hydrothermal conversion // Powder Technology. 2004, №141, p. 69-74.
Zhao, Z. et al. Grain-size effect on the ferroelectric behavior of dense nanocrystalline
BaTiO3 ceramics // Phys. Review B. 2004, №70, p. 024107.
5. Yoon, S. et al. Spark plasma sintering of nanocrystalline BaTiO3-powders: Consolidation behavior
and dielectric characteristics // J. Eur. Ceram. Soc. 2011, №31, p. 1723-1731.