Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками



Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками
Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками

 


Владельцы патента RU 2529682:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГОУ ВПО "ВГУ") (RU)

Изобретение относится к наноструктурированным материалам с сегнетоэлектрической активностью. Технический результат заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими и регулируемыми диэлектрическими и пироэлектрическими характеристиками. Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами содержит в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, а в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2SO4 при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 - 56-75, триглицинсульфат - 25-44. Материал имеет зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм. 2 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к наноструктурированным материалов с выраженной сегнетоэлектрической активностью и может быть применено в устройствах микро- и наноэлектроники в качестве функциональных и чувствительных элементов (датчиков).

Наиболее известны материалы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, имеющие кристаллическую структуру, в основном это моно- и поликристаллы (М. Лайнс, А. Гласе. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы: М.: Мир, 1982), на основе оксидов висмута, титана и лантана (патент РФ №2374207, C04B 35/475, 2009). Недостатками данных материалов являются:

- случайность характеристик; ограниченный температурный интервал, в котором обнаруживаются практически полезные параметры, невозможность регулировать в широких пределах диэлектрические и переполяризационные параметры указанных материалов;

- высокие значения практически важных характеристик в монокристаллах реализуются вблизи температуры фазового перехода, где наблюдается их очень сильная и неудобная для применений температурная зависимость.

Известны тонкопленочные сегнетоэлектрические материалы, представляющие собой электролитически осажденный на подложку порошок сегнетоэлектрика, например цирконат-титанат свинца, титанат бария, титанат висмута и др., причем материал предварительно спекают и осуществляют помол с получением фракций размером от 0,5 до 100 мкм (патент РФ №2278910, C25D 15/02,2006), а также сегнетоэлектрический нанокомпозитный пленочный материал в виде полимерной пленки, например из поликарбоната, имеющего цилиндрические отверстия, которые заполняются, например, сегнетокерамикой, сегнетоэлектрическими жидкими кристаллами, сегнетоэлектрическими монокристаллами (патент РФ №2436810). Недостатками данного материала являются:

- наличие диэлектрической подложки, влияющей на свойства создаваемых гетероструктур;

невозможность эффективного регулирования рабочих параметров пленочных сегнетоэлектрических материалов.

Известны керамические сегнетоэлектрические материалы, содержащие BaTiO3, SrTiO3 и (Ba1-xSix)Ln2Ti2Oi2 (патент РФ №2293717, C04B 35/46А, 2007) или представляющие собой сложный оксид металлов с общей формулой Pb(1-x-3/2y)CaxNdy[Ti0,98(W1/2Cd1/2)0,02]O3 (патент РФ №2305669, C04B 35/472, 007), обладающие размытым фазовым переходом и, следовательно, сглаженной температурной зависимостью рабочих характеристик. Недостатками данного материала являются:

- ограниченные возможности регулирования рабочих параметров, связанные с достаточно большими размерами спекаемых частиц и, следовательно, с малой величиной размерных эффектов;

- остаточная пористость, наличие которой характерно для любой керамики, ухудшает диэлектрические свойства материала, снижает его электрическую и механическую прочность, сокращает возможные области применения.

Наиболее близкими к изобретению являются твердый нанокомпозит с составом SiO2 - ТГС с соотношением 55 на 45% соответственно, полученного с использованием нанодисперсного гидрозоля SiO2 со средним размером частиц кремнезема 5-7 нм, плотностью 1.195 г/см3 и концентрацией 29.56% SiO2 и соли триглицинсульфата (С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С.Сидоркин и др. Сегнетоэлектрические свойства нанокомпозита гидрозоля SiO2 - ТГС. Изв. РАН, серия физическая, 2010, т.74, №9, с.1351-1354), выбранный в качестве прототипа изобретения.

Недостатком прототипа является невозможность направленного регулирования диэлектрических и пироэлектрических параметров при фиксированном соотношении компонент состава.

Заявленное изобретение предназначено для решения задачи регулирования функциональных параметров сегнетоэлектрических материалов и повышения эффективности их применения в современной микро- и наноэлектронике.

Технический результат, получаемый при осуществлении данной задачи, заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими диэлектрическими и пироэлектрическими характеристиками и возможности регулирования этих характеристик за счет изменения процентного соотношения компонент состава.

Технический результат достигается тем, что нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами, содержащий в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2SO4, согласно изобретению имеет выраженную зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнезем SiO2 - 56-75;

Триглицинсульфат - 25-44.

Указанный нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал получают по смесевой технологии. Используют нанодисперсный гидрозоль кремнезема SiO2 со средним размером частиц кремнезема 5-7 нм, плотностью 1,195 г/см3, концентрацией SiO2 в растворе 20-60% и соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2SO4.

В результате выпаривания воды из смеси гидрозоля кремнезема и водного раствора сегнетоэлектрической соли триглицинсульфата получают твердую структуру с равномерно распределенными по объему частицами функциональной сегнетоэлектрической компоненты.

В отличие от твердых растворов в синтезируемом композите существуют четко выделенные границы между различными компонентами. Малость размеров контактирующих частиц обеспечивает высокий размерный эффект, повышенную возможность регулирования свойств, а отсутствие пустот исключает возможность блужданий и, следовательно, повышает стабильность формируемого состава.

Регулирование функциональных параметров материала осуществляется изменением соотношения компонент от 56 до 75 мас.% для кремнезема SiO2 и от 25 до 44 мас.% для триглицинсульфата. Регулирование свойств нанокомпозитного состава возможно также за счет изменения размера контактирующих частиц (в данном случае частиц кремнезема). Кроме того, потенциальное использование компонент с различными упругими свойствами приведет к изменению степени зажатия сегнетоэлектрических частиц, обеспечивающему дополнительное изменение диэлектрических параметров композитного сегнетоэлектрического материала в целом.

На фиг.1 изображена зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры для образца кремнезема SiO2 - ТГС с массовым соотношением кремнезема SiO2 - 56 мас.% и ТГС - 44 мас.%; на фиг.2 изображены фотографии поверхности твердого образца гидрозоля кремнезема SiO2 (а) и композита кремнезема SiO2 - ТГС (b), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6380LV при увеличении ×30000.

Получения заявленного нанокомпозита

Пример 1. В исходный нанодисперсный гидрозоль кремнезема с размерами частиц 5-7 нм плотностью 1.195 г/см2 и концентрацией 29,56% SiO2, нагретый до +50°С, вносили соль триглицинсульфата до получения насыщенного раствора. Затем каплю смешанного раствора наносили на специальную медную подложку с нанесенным сусальным серебром и охлаждали до комнатной температуры. При испарении воды на подложке образовывался образец твердого нанокомпозита кремнезем SiO2 - ТГС с соотношением 56 на 44 соответственно. На полученный образец наносили электроды из проводящей серебряной пасты.

Примеры 2, 3

Нанокомпозит SiO2 - ТГС получали по технологии, изложенной в примере 1, только использовался нанодисперсный гидрозоль оксида кремния с концентрацией SiO2 в растворе 20 и 60% соответственно. Были получены нанокомпозиты с содержанием кремнезема SiO2 менее 55% и более 75% соответственно.

Примеры 4, 5

Нанокомпозит кремнезем SiO2 - ТГС получали по технологии, изложенной в примере 1, но использовался нанодисперсный гидрозоль оксида кремния с размерами частиц SiO2 94 нм и 156 нм.

Диэлектрические измерения проводились с помощью цифрового моста LCR meter 41R в слабом измерительном поле напряженностью 5 В/см на частоте 1 кГц. Температура измерялась цифровым термометром с точностью 0,1 К. Все экспериментальные результаты записывались и обрабатывались с помощью компьютера. Пироэлектрические исследования проводились с помощью кулонометра UT-6801A. Все исследования контролировались аналогичными измерениями образцов обычного объемного монокристалла ТГС.

Диэлектрические измерения показали, что значения ε для образцов композита, полученных в Примере 1, при комнатной температуре в 2-3 раза превышают соответствующие значения для объемного ТГС. С последующим увеличением температуры наблюдается рост ε вплоть до размытого максимума со значениями порядка 103 при температурах 100-105°С. Для диэлектрической проницаемости в окрестности точки Кюри выполняется закон Кюри-Вейса, что свидетельствует о сохранении в нанокомпозите фазового перехода, характерного для объемного ТГС.

Согласно расчету, произведенному по ненасыщенным петлям гистерезиса, поляризация для указанного композита достигает максимального значения 1,2÷1,4 мкКл/см2 при температуре 58°С, то есть в 2÷3 раза ниже, чем в монокристаллическом триглицинсульфате. Значения пироэлектрического коэффициента для указанного композита изменяются в пределах 2-12 ед. CGSE (фиг.1). Расчеты демонстрируют, что материал обладает хорошей пиродобротностью порядка 0,6. Высокие значения пиродобротности и расширенный рабочий интервал температур позволяют рекомендовать полученный материал для применения в качестве пирочувствительного элемента в современных устройствах микроэлектроники и электротехники.

Дифрактометрические исследования показали, что образцу композита SiO2 - ТГС соответствует аморфное состояние с набором линий, характерных для кристалла ТГС, хотя и меньшей интенсивности. Сравнительное исследование поверхностей твердого чистого SiO2 и нанокомпозита SiO2 -ТГС обнаруживают большую плотность структуры поверхности композита по сравнению с чистым кремнеземом, что свидетельствует о встраивании частиц SiO2 в структуру ТГС (фиг.2). Неравномерное распределение подобных неоднородностей по объему композита приводит к размытию фазового перехода.

По изображениям поверхности образцов, полученным при увеличении в 30000 раз, была проведена оценка размеров частиц композита. Показано, что указанный композит имеет плотную зернистую структуру с размерами частиц порядка 50-80 нм.

Образцы, полученные в примере 2, обладают пониженной прочностью и устойчивостью к внешним воздействиям, что объясняется уменьшением связующей роли кремнезема по отношению к кристаллитам триглицинсульфата. При концентрации SiO2 75% (пример 3) массовая доля сегнетоактивного вещества оказывается слишком мала, что приводит к ухудшению диэлектрических параметров материала.

Образцы, полученные в примере 4, отличаются низкими значениями диэлектрической постоянной (около 102) и снижением температуры сегнетоэлектрического фазового перехода до 60-70°С. Использование частиц кремнезема диаметром 156 нм (пример 5) делает невозможным получение аморфной композитной структуры, как в предыдущих примерах.

Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами, содержащий в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, а в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2SO4, отличающийся тем, что имеет выраженную зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремнезем SiO2 - 56-75;
Триглицинсульфат - 25-44.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения модифицированных керамических материалов на основе кварцевого стекла. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и термостойкости изделий.
Изобретение предназначено для производства стеновых керамических изделий. Техническим результатом изобретения является повышение морозостойкости.
Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения из кварцевой керамики. Технический результат изобретения - повышение прочности и снижение пористости изделий из кварцевой керамики при сохранении других характеристик на высоком уровне.
Изобретение относится к технологии получения изделий из керамических и волокнистых материалов на основе кварцевого стекла с улучшенными теплопрочностными, химическими и другими свойствами, которые найдут применение в ракетно-космической технике, металлургии.
Изобретение относится к технологии получения кварцевой керамики с пониженной температурой обжига и может найти широкое применение для массового производства керамических изделий различного назначения.

Изобретение относится к керамической промышленности и может быть использовано при изготовлении изделий из кварцевой керамики методом водного шликерного литья в пористые формы.
Изобретение относится к составам огнеупорных масс, которые могут быть использованы для футеровки индукционных плавильных печей, используемых при производстве черных сплавов.
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов керамических масс для производства кирпича. Технический результат заключается в повышении морозостойкости кирпича.

Изобретение относится к производству керамических изделий радиотехнического назначения, работающих в условиях воздействия высокотемпературных газовых потоков.
Изобретение относится к производству строительных материалов. Техническим результатом изобретения является повышение прочности изделий.
Группа изобретений относится к катализаторам циклизации нормальных парафиновых углеводородов. Катализатор содержит носитель, который готовят с использованием высококремнеземного цеолита KL и бемита, а каталитически активное вещество представляет собой как иммобилизованные на поверхности катализатора кристаллиты платины, так и локализованные внутри канала цеолита частицы платины, характеризующиеся размером 0,6-1,2 нм.

Изобретение относится к области оценки свойств дисперсных материалов и может быть использовано для разработки энергетических нанотехнологий в разных отраслях промышленности и областях знаний, а также для разработки и управления самоорганизующихся систем, открывает возможности для изучения новых принципов построения технических устройств.

Способ формирования наноразмерных структур предназначен для получения полосок тонких пленок наноразмерной ширины с целью их исследования и формирования элементов наноэлектромеханических систем (НЭМС). Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования наноразмерных структур, включающем получение заготовок тонких пленок и выделение из них полосок тонких пленок, по меньшей мере, одну заготовку тонкой пленки закрепляют внутри заполненного объема, который устанавливают в держатель микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась непараллельна плоскости реза, после этого ножом осуществляют рез заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки и получение плоского фрагмента с полоской тонкой пленки. Существуют варианты, в которых заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и перпендикулярна направлению реза; или заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и параллельна направлению реза. Существуют также варианты, в которых после осуществления реза проводят исследование зондом сканирующего зондового микроскопа поверхности заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки; или производят модификацию заготовки тонкой пленки, расположенной внутри заполненного объема. Существуют также варианты, в которых модификация заготовки тонкой пленки заключается в механическом воздействии на нее зондом; или в электрическом воздействии на нее зондом; или в электрохимическом воздействии на нее зондом; или в воздействии на нее электронным пучком; или в воздействии на нее ионным пучком; или в воздействии на нее рентгеновским пучком; или в воздействии на нее пучком альфа-частиц; или в воздействии на нее пучком протонов; или в воздействии на нее пучком нейтронов. Существует также вариант, в котором внутри заполненного объема закрепляют набор заготовок тонких пленок; при этом заготовки тонких пленок расположены параллельно друг другу. Существует также вариант, в котором в качестве тонких пленок используется графен. Все перечисленные варианты способа расширяют его функциональные возможности.

Изобретение используется для определения усиления локального электростатического поля и работы выхода в нано- или микроструктурных эмиттерах. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют темновую зависимость туннельного эмиссионного тока при увеличении напряжения на аноде и определяют значение напряжения V∞, облучают измеряемую поверхность эмиттера лазерным пучком ультрафиолетового или видимого диапазона с фиксированным значением оптической мощности и длины волны λ1, измеряют значение туннельного фотоэмиссионного тока при увеличении напряжения на аноде и фиксируют значение напряжения V∞ λ1, определяют значение работы выхода А и значение усиления локального электростатического поля β в пространственной области облучения эмиттера из данного соотношения или дополнительно облучают измеряемую поверхность эмиттера лазерным пучком на другой длине волны λ2 ультрафиолетового или видимого диапазона с максимальной разницей относительно первой длины волны, определяют значение напряжения V∞λ2 и определяют значение усиления локального электростатического поля в пространственной области облучения эмиттера и значение работы выхода А из данного соотношения.
Изобретение относится к светотехнике, а именно изготовлению светоизлучающих полупроводниковых приборов на подложке из аморфного минерального стекла. Стекловидная композиция на основе минерального стекла, содержащего окислы элементов II, и/или III, и/или IV группы периодической системы, отличается тем, что поверхность стекла покрыта выращенным слоем электропроводящего и светоизлучающего полупроводникового соединения типа A2B5, и/или A2B6, и/или А3В5, и/или А4В6.

Изобретение относится к газовым микрокриогенным машинам, а именно к регенеративным теплообменникам. В комбинированном регенеративном теплообменнике, включающем теплоизоляционный корпус, насадку, находящуюся внутри корпуса, насадка состоит из двух частей: со стороны "теплого" конца регенеративного теплообменника насадка выполнена из плетеной металлической сетки, со стороны "холодного" конца регенеративного теплообменника заполнена свинцовыми наношариками, между частями насадки установлена защитная сетка, предотвращающая проникновение свинцовых наношариков в область плетеной металлической сетки.

Изобретение относится к технологии наноматериалов и наноструктур и может применяться для получения тонкопленочных полимерных материалов и покрытий, используемых как в сенсорных, аналитических, диагностических и других устройствах, так и при создании защитных диэлектрических покрытий.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к материалу и способу получения сферических конгломератов, содержащих наноразмерные частицы (НРЧ) металла, в частности меди, в оболочке из другого вещества или органического полимера.

Изобретение относится к области гигиены, санитарии и медицины, в частности, к способам лабораторной диагностики содержания нанодисперсных частиц диоксида кремния в организме работающих, к факторам риска в воздухе рабочей зоны которых относится диоксид кремния, и может быть использован для обоснования санитарно-гигиенических мероприятий по предупреждению и устранению воздействия нанодисперсных соединений.

Изобретение может быть использовано при получении материалов для электронной промышленности, в частности для литий-ионных аккумуляторов. Способ получения титаната лития включает получение смеси, содержащей соединения титана и лития, и термообработку полученной смеси с последующим обжигом продукта термообработки.
Изобретение относится к медицине. Описан двухфазный материал заменителя костной ткани на основе фосфата кальция / гидроксиапатита (САР/НАР), включающий ядро из спеченного CAP и как минимум один равномерный и закрытый эпитаксически нарастающий слой нанокристаллического НАР, нанесенный сверху на ядро из спеченного CAP, причем эпитаксически нарастающие нанокристаллы имеют такой же размер и морфологию, что и у минерала костей человека, то есть длину от 30 до 46 нм и ширину от 14 до 22 нм. Описан также способ получения материала заменителя костной ткани на основе САР/НАР, включающий этапы: а) изготовления ядра из спеченного материала CAP, b) погружения ядра из спеченного материала CAP в водный раствор при температуре от 10°С до 50°С для запуска процесса преобразования CAP в НАР, при помощи которого на поверхности ядра из спеченного материала CAP образуется равномерный и закрытый эпитаксически нарастающий слой нанокристаллического гидроксиапатита, причем эпитаксически нарастающие нанокристаллы имеют такие же размер и морфологию, что и у минерала костей человека, с) прекращения преобразования путем отделения твердого материала от водного раствора при наличии равномерного и закрытого покрытия из как минимум одного нанокристаллического слоя НАР, но до полного завершения процесса преобразования, d) необязательной стерилизации отделенного материала с этапа с), и применения вышеупомянутого материала заменителя костной ткани в качестве имплантата или протеза для остеогенеза, регенерации костей, восстановления костей и/или реплантации костей в месте повреждения у человека или животного. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 пр.
Наверх