Ранняя стадия нанокристаллизации как метод улучшения электрических свойств ванадий-боратных стекол, легированных титанатом свинца/бария

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12498 (2023) Цитировать эту статью

329 Доступов

Подробности о метриках

При термообработке обычных закалочных стекол образовались стеклокерамические нанокомпозиты (ССН) (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 с x = 0, 2,5, 5, 7,5 и 10 мол%. . Для подтверждения образования стекла и ГЦН использовали рентгеновскую дифракцию. Плотность стекол и ГХН измеряли по принципу Архимеда. Внедрение мелких полярных кластеров титаната свинца и/или титаната бария в матрицу ванадий-боратного стекла сильно зависит от состава. Установлено, что электропроводность исходных стекол можно значительно улучшить за счет правильной ранней стадии нанокристаллизации при температурах, приближающихся к температурам кристаллизации, определенным методом ДСК. GCN демонстрируют значительное увеличение электропроводности (до 6 порядков) в зависимости от содержания BaTiO3. Было обнаружено, что при увеличении содержания BaTiO3 значения энергии активации увеличиваются. Увеличение электропроводности GCN можно объяснить увеличением количества кристаллических фаз в стеклообразной матрице, что увеличивает концентрацию пар ионов V.

В последнее время значительный интерес вызывают стеклокерамические нанокомпозиты (СКН), содержащие сегнетоэлектрические нанокристаллиты, диспергированные в стеклянной матрице. В процессе термообработки стекла внутри стеклянной матрицы образуются мельчайшие кристаллы, а также снижается уровень пористости, что дает большое преимущество GCN1,2. Стеклянные и стеклокерамические системы с добавлением сегнетоэлектрических материалов имеют замечательное применение, например, в радиочастотных фильтрах, приводах, флэш-памяти и т. д.3. GCN, содержащие оксид переходного металла (ТМО), демонстрируют полупроводниковое поведение из-за ионов валентности выше одной. В матрице стекла, содержащей оксид ванадия, проводимость обусловлена ​​малыми прыжками поляронов (SPH) между V4+ ↔ V5+. Размер зерна образующегося нанокристаллического материала играет важную роль в повышении электропроводности, при этом расположение прыжковых центров в этих зернах минимизирует рассеяние на границах зерен4,5,6.

Титанат свинца (PbTiO3) имеет структуру перовскита с хорошими диэлектрическими, термическими стабильностью и сегнетоэлектрическими свойствами. Кроме того, его высокая температура Кюри (490 °C) делает его пригодным для применения в высокотемпературных устройствах, таких как датчики. Большие ионные смещения титаната свинца вызывают сильную спонтанную поляризацию7,8. С другой стороны, титанат бария (BaTiO3) в последние несколько десятилетий активно исследовался на предмет его технологического значения в электронике3,9.

Для стеклообразующей способности пентаоксид ванадия (V2O5) в концентрации до 5 мол.% действует как модификатор сетчатого стекла, а при концентрации более 10 мол.% – как сеткообразователь5. Триоксид бора (B2O3) является основным стеклообразователем в боратных стеклах с меньшей теплотой плавления10, тогда как BaTiO3 обладает плохой стеклообразующей способностью3.

Наша работа направлена ​​на изучение стекла/GCN, легированного титанатом свинца/бария, полученных традиционным методом закалки расплава и методом ранней нанокристаллизации соответственно. Кроме того, было исследовано влияние титаната бария, замещенного титанатом свинца, для получения бессвинцового материала на электрические свойства. Формирование нанокристаллических фаз было получено путем тщательной термообработки при температурах, близких к температуре кристаллизации.

Традиционной технологией закалки расплава были получены (10 − x) BaTiO3 (BT)–xPbTiO3 (PT)–60V2O5–30B2O3 с x = 0, 2,5, 5, 7,5 и 10 мол%. Исходными реагентами были оксиды PbTiO3, BaTiO3, B2O3 (Sigma Aldrich, 99%) и V2O5 (Fisher Scientific, 99,99%) особо высокой чистоты, общая масса смеси 10 г, взвешенная в стехиометрическом соотношении. Через 10 мин. Смешивая, порошки номинальных составов помещали в платиновый тигель и нагревали в течение 90 мин в муфельной печи при температуре 1250 °С на воздухе. Для разливки расплава использовали форму из нержавеющей стали в форме пластин толщиной 2,0 мм. Для обеспечения аморфности полученных стекол при ускоряющем напряжении 40 кВ и токе 30 мА использовали рентгеновский дифрактометр Siemens D5000 с никелевым фильтром Cu Kα-излучения. Для термического анализа использовался дифференциальный сканирующий калориметр Shimatzou DSC 50 со скоростью нагрева 10 °C/мин в атмосфере аргона. Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения JEOL 2100 (HRTEM) использовался для подтверждения присутствия нанокластеров внутри стеклянной матрицы. Свежеприготовленный образец стекла подвергали термообработке на воздухе, близкой к температуре его кристаллизации Тс по данным ДСК, при 350 °С в течение 2 ч с получением стеклокерамических нанокомпозитов (СКН). Образцы стекла и GCN покрывали серебряными пастами для определения проводимости на постоянном токе с использованием пикоамперметра типа KEITHLEY 485 в диапазоне температур 310–450 К. При комнатной температуре образцы стекла и GCNS измеряли средние плотности (ρ) методом Архимеда с использованием толуола плотности. 0,866 г/см3 в качестве иммерсионной жидкости. Измерения плотности повторяли пять раз.