PbTiO3, 나노 크기 세라믹
편집부(외신)
연-티타늄산염이 연전구체로써 연-유산염과 함께 졸-겔 방법을 사용하여 제조되어 왔다.
연-티타늄산염(PbTiO3)은 중요한 강유전성 세라믹이며, 높은 Curie온도, 높은 초전기 계수, 낮은 유전 상수와 높은 자발분극을 가진다. PbTiO3는 축전기, 초음파 변환기, 저항기, 광학 전자장비, 위성 감지 시스템등에 널리 사용되어 왔다.
나노 크기의 PbTiO3 결정은 화학 공침법, 졸-겔, 열수 및 변이 고체 반응방법을 사용하여 제조되어 왔다. 졸-겔 과정은 높은 순도, 화학적 균일성, 조절되는 입자크기 등의 중요한 이점을 제공한다. 다른 방법에 비해서, 졸-겔 과정은 낮은 반응온도와 분자수준의 특성에 대한 더 좋은 조절을 가능하게 한다.
졸-겔 과정의 중요한 불이익중 하나는 알콕시드 반응물의 높은 비용이다. 알콕시드 반응물은 다중요소 시스템의 안정도를 증가시키기 위해 유기질 복합물에 사용되고, 알콕시드의 성분의 사용이 어렵거나 유독 가스를 발생할 경우에 다중 구성요소의 시스템의 안정도를 증가시킨다. TiCl4와 Pb(No3)3이 전구체로 사용되지만, 염소이온이 고온에서조차 제거되기 어렵다.
졸-겔 과정의 또 다른 불이익은 전구체 용액이 습기에 극도로 민감하다는 것이다. 그러므로 이 연구의 목적은 알콕시드 반응물의 비용을 감소시키고 고체와 및 겔화의 안정도를 증가시키는 것이다.
연구과정 중에, 우리는 나노 크기의 PbTiO3 결정 제조의 합성온도를 수산화산이 낮출 수 있다는 것을 발견하였다. 그러므로 연산화물(PbO)과 유산(CH3CHO HCOOH)사이의 반응으로부터 형성된 연-유산염(Pb(CH3CHOHCOOH2)이 연-전구체로써 사용되었고, 점성의 유산이 용제로써 사용되었다. 연유산염-유산에탄올-티타늄부톡사이드의 시스템이 PbTiO3의 졸-겔과정을 위한 전구체로 사용되었다.
연유산염과 티타늄부톡사이드가 시작 재료로 사용되었고, 60nm의 입자크기를 가지는 밝은 황색 결정인 PbTiO3를 얻었다.
유산의 IR 분광으로, 유산에 용해된 PhO2, Ti(OC4 H9)4와 Ti(OC4H9)4와 PhO2 (전구체용액)의 혼합물이 측정되었다. 새로운 결합 진동이 -441.6cm-1(v(Ti-O))에서 발견 되었다. Ti(OC4H9)4와 유산은 반응해서 서로 연결되어진다. v(Ti-O)의 IR 흡수는 높은 진동수(-581.2cm-1, 600℃)에서 낮은 진동수(-579.3cm-1, 900℃)로 온도의 증가와 함께 변화시킨다. 이것은 적변형 현상에 따라 발생하고 -3358.6과 1624cm-1에서의 두가지 결합이 자유로운 수분과 알코올의 연장된 진동에 의해 선정되게 된다.
TG-DTA곡선으로 306℃에서 날카로운 발열성 피크에 의해 동반된 25%의 무게 감소의 발생을 알 수 있다. 이것은 겔에서의 절반정도의 연소에 기인한 것이다. 이러한 52에서 160℃의 작은 발열성 피크는 겔의 용융열과 유산 및 알코올의 증발에 의한 것이다. 416℃에서의 또 다른 작은 발열성 피크는 PbTiO3의 응고열에 의한 것이다. 순수 정방정계의 PbTiO3 상의 형성은 XRD의 결과로 확인할 수 있다.
XRD 패턴은 여러 온도에서 제조된 제품에서 얻었다. 하소된 재료는 400℃에서 PbO상이 존재한다. 순수 정방정계 perovskite 형태의 재료가 420℃에서 형성되었다. 날카로운 XRD 패턴은 높은 제조온도에 의한 것이고 입자크기는 Debye-Scherrer 방정식을 사용하여 계면상의 XRD 피크의 절반의 넓이로 결정되었다. 이 결과는 입자의 TEM 현미경 사진에 의해 확인할 수 있다.
여러 온도에서 측정된 PbTiO3 입자의 SRS 패턴으로 낮은 처리 온도에서 높은 SRS 값을 나타낸다는 것을 알 수 있다. SRS는 또한 상온에서 존재하는 PbTiO3의 정방형 상의 나노 크기를 나타낸다. SEM로 입자의 크기가 50nm정도인 것을 알 수 있다. 나노 크기의 PbTiO3는 자가연소기술과 건조 겔에 의해 쉽게 합성 될 수 있다. (Ceramic Bulletin)
IR 분광 (a)유산, (b)PbL2 와 유산,
(c)Ti(OC4H9)4 , (d)전구체 용액
여러 온도에서 처리된 PbTiO3의 IR 분광
(a)600, (b)750, (c)900℃
전구체 용액의 TC-DTA 곡선
여러 온도에서 처리된 PbTiO3분말의 XRD 패턴
(a)400, (b)420, (c)450, (d)500, (e)600, (f)700, (g)800℃
(a)400, (b)420, (c)450, (d)500℃에서 처리된
분말의 SRS 곡선
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