Способ получения прозрачных наноразмерных плёнок феррита висмута



Способ получения прозрачных наноразмерных плёнок феррита висмута
Способ получения прозрачных наноразмерных плёнок феррита висмута
Способ получения прозрачных наноразмерных плёнок феррита висмута

 


Владельцы патента RU 2616305:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к тонкопленочной технологии получения мультиферроиков, а именно получению прозрачных наноразмерных пленок феррита висмута, которые обладают свойствами мультиферроика при комнатной температуре, так как температура Кюри BiFeO3 830°С, а температура антиферромагнитного перехода 370°С, и может быть использовано в производстве магнитооптических устройств записи, хранения и обработки информации. В соответствии с заявленным способом раствор смеси абиетата висмута и абиетата железа в органическом растворителе с концентрацией 0,05-1,5 мг/г в равномольном их соотношении наносят на подложку, например стеклянную, сушат, нагревают до температуры обжига и обжигают при температуре 500-600°С. Абиетаты железа (III) и висмута (III) получают взаимодействием нитратов висмута и железа с абиетиновой кислотой в расплаве. Техническим результатом изобретения является сокращение числа используемых реагентов, исключение применения высокоагрессивных и канцерогенных веществ при сохранении чистоты и наноразмерности получаемых пленок. 6 з.п. ф-лы, 3 пр., 3 ил.

 

Изобретение относится к тонкопленочной технологии получения мультиферроиков, а именно получению прозрачных наноразмерных пленок феррита висмута, которые обладают свойствами мультиферроика при комнатной температуре, так как температура Кюри BiFeO3 830°С, а температура антиферромагнитного перехода 370°С, и может быть использовано в производстве магнитооптических устройств записи, хранения и обработки информации.

Известен способ получения BiFeO3 по обычной керамической технологии при температуре 830-920°С с использованием быстрого охлаждения спеченного продукта «закалки» (Разумовская О.Н., Кулешова Т.Б., Рудковская Л.М. Реакции образования BiFeO3, K0,5Bi0,5TiO3 и Na0,5Bi0,5TiO3 // Неорганические материалы. 1983, 19, 1, 113-115).

Недостаток способа - близость температур синтеза Тсинт=800-870°С и инконгруэнтного (с разложением) плавления Тпл.=850-910°С, что приводит к образования примесных фаз в целевом продукте синтеза и снижает характеристики получаемого материала.

Известен способ получения наноразмерных пленок феррита висмута методом химического осаждения из паровой фазы металлорганических соединений (MOCVD) (Картавцева М.С. Синтез и свойства тонких эпитаксиальных пленок BiFeO3 и твердых растворов на его основе. Автореферат на соискание уч. ст. к.х.н. М., МГУ, 2008. - 24 с).

Недостатки способа - получение многофазных пленок, токсичность исходных компонентов для здоровья человека, дороговизна способа.

Известен также способ получения наноразмерных пленок феррита висмута, который включает изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки ионами аргона, распыление мишени на подложку с дальнейшим отжигом полученной пленки, при этом используют подложку титаната стронция, процесс распыления осуществляют на подогретую до температуры 700-750°С подложку, в процессе распыления осуществляют подачу в область подложки контролируемого потока ионов кислорода, а полученные пленки отжигают в атмосфере кислорода в течение 1,0 час при температуре 500-550°С и нормальном атмосферном давлении.

Изобретение позволяет получать монокристаллические наноразмерные пленки мультиферроиков состава BiFeO3 и RxBi1-xFeO3, где R- Nd, La, Pr в количестве 0,1-0,3 форм. ед. (патент РФ №2532187, МПК С30В 23/02, 2014 г.)

Недостаток способа - сложность способа получения, необходимость использования дорогостоящего оборудования и относительно высокие энергетические затраты.

Наиболее близким к предлагаемому по выполнению и достигаемому результату является способ получения пленок феррита висмута, включающий взаимодействие ацетилацетонатов висмута и железа при температуре окончательного обжига 550°С в течение двух часов. При этом получение ацетилацетонатов висмута и железа проводится из порошков Fe(NO3)3⋅9H2O и Bi(NO3)3⋅5H2O, растворением их в смеси ледяной уксусной кислоты и этиленгликоля с последующим добавлением ацетилацетона в качестве лиганда и этаноламина для поддержания рН раствора. Толщина одного слоя полученной пленки феррита висмута составляет 80 нм (патент CN №103951410 (А), МПК С04В 35/26, 2014 г.).

Недостатком способа является использование при получении ацетилацетонатов висмута и железа большого числа реагентов, в том числе высокотоксичной ледяной уксусной кислоты и канцерогенного этаноламина.

Техническим результатом изобретения является использование более доступных исходных компонентов (в том числе, за счет сокращения числа используемых реагентов и исключения применения высокоагрессивных и канцерогенных веществ для их получения) при сохранении чистоты и наноразмерности получаемых пленок.

Технический результат достигается тем, что в способе получения пленок феррита висмута раствор смеси абиетат висмута и абиетат железа в органическом растворителе с концентрацией 0,05-1,5 мг/г в равномольном их соотношении наносят на подложку, сушат, нагревают до температуры обжига и обжигают при температуре 500-600°С.

Получение абиетатов висмута (III) и железа (III) может быть осуществлено взаимодействием нитратов висмута и железа с абиетиновой кислотой в расплаве.

Предпочтительно в качестве органического растворителя используют 1,4-диоксан или гептан или гексан или этилацетат.

Предпочтительно сушку проводят при 80-150°С не менее 10 мин.

Предпочтительно нагрев проводят со скоростью 5-40°С/мин до температуры обжига.

Предпочтительно обжиг осуществляют порядка 0,5-2 часов на воздухе или в инертной атмосфере.

Предпочтительно в качестве подложки используют предварительно очищенную натрий-кальциевую стеклянную подложку.

Отличием заявляемого изобретения является то, что способ получения феррита висмута включает взаимодействие абиетатов железа (III) и висмута (III) вместо взаимодействия ацетилацетонатов висмута и железа. При этом абиетаты растворяют в органическом растворителе с концентрацией смеси абиетатов 0,05-1,5 мг/г при равномольном их соотношении. В прототипе концентрация смеси ацетилацетонатов в растворителе составляет 0,2-0,4 моль/л.

Изобретение обладает изобретательским уровнем, поскольку не известно использование абиетатов железа(III) и висмута(III) для получения наноразмерных прозрачных пленок феррита висмута.

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

Пример 1. Получение абиетата висмута(III) Bi(C19H29COO)3 и абиетата железа(III) Fe(C19H29COO)3

1. Готовят навески порошков исходных компонентов: 22 г абиетиновой кислоты С19Н29СООН, хч, 4,0404 г 9-водного нитрата железа(III) Fe(NO3)3⋅9H2O, хч, и 4,8509 г 5-водного нитрата висмута (Βi(ΝO3)3⋅5H2O, хч. Количества исходных веществ рассчитывают, исходя из мольного соотношения Bi:Fe:C19H29COOH=1:1:6, в соответствии с уравнениями реакций:

Bi(NO3)3⋅5H2O+3С19Н29СООН=Bi(C19H29COO)3+3HNO3+5H2O

Fe(NO3)3⋅9H2O+3С19Н29СООН=Fe(C19H29COO)3+3HNO3+9H2O.

2. Проводят синтез абиетатов висмута и железа(III) путем введения в расплав абиетиновой кислоты порошков 9-водного железа(III) нитрата и 5-водного висмута нитрата при перемешивании с последующим охлаждением до комнатной температуры.

3. Синтезированные абиетаты висмута(III) и железа(III) измельчают в шаровой планетарной мельнице.

Пример 2. Получение пленки феррита висмута

1. Навеску абиетата висмута(III) Bi(C19H29COO)3 массой 11,13 г растворяют в 110 мл 1,4-диоксана.

2. Навеску абиетата железа(III) Fe(C19H29COO)3 массой 9,602 г растворяют в 110 мл 1,4-диоксана.

3. Растворы, полученные в п. 1 и п. 2, перемешивают с помощью перемешивающего устройства типа ПЭ-8100.

2. Очистку натрий-кальциевой стеклянной подложки проводят химическим способом: обработка ацетоном, дистиллированной водой, высушивание.

3. Раствор, полученный в п. 3, наносят на подложку с использованием центробежной силы вращающейся подложки. Полученная пленка раствора высушивается в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 20 мин.

4. Термическую обработку подложки с нанесенным раствором проводят в муфельной печи при температуре 550±10°С и нормальном атмосферном давлении в течение 2 часов на воздухе после предварительного ее нагревания до этой температуры со скоростью 10°С/мин.

5. Полученную на стеклянной подложке керамическую пленку феррита висмута охлаждают в муфельной печи до комнатной температуры.

Аналогичные получены пленки при использовании других органических растворителей: этилацетат, гептан, гексан.

Аналогичные получены пленки при проведении сушки при 150°С в течение 10 и 40 мин.

Аналогичные получены пленки при нагреве подложки с нанесенным раствором со скоростью 5 и 40°С/мин.

Аналогичные получены пленки с обжигом при 500°С в течение 2 часов и 600°С в течение 0,5 часов на воздухе и в атмосфере азота.

Пример 3. Получение многослойных пленок феррита висмута

Получение многослойных пленок феррита висмута осуществляют аналогично примеру 2 по пп. 1-3, затем п. 3 повторяют 2-4 раза для получения пленок желаемой толщины.

Изучение геометрической толщины пленки проводили на сколе образца с использованием просвечивающего электронного микроскопа с ускоряющим напряжением 120 KB TecnaiG2 SpiritBioTWIN. Разрешающая способность по точкам - 0,45 нм. Пределы допускаемой относительной погрешности измерений линейных размеров ±10%. Результаты измерений примера 3 представлены на фиг. 1. Максимальная толщина трехслойной пленки составляет 270 нм.

Результаты рентгеновского исследования (дифрактометр ARLXTRA, Thermo ARL, Швейцария, CuKα-излучение) подтверждают результаты электронно-микроскопического исследования в том, что получается пленка наноразмерного уровня толщины. Расчет в приближении формулы Шеррера показывает, что толщина однослойной пленки составляет порядка 80 нм.

Кроме того, судя по рентгеновским данным, пленка образована чистым ферритом висмута BiFeO3 (фиг. 2).

Монокристалличность и прозрачность пленки подтверждается ее интерференцией (фиг. 3), наблюдаемой через оптический длиннофокусный микроскоп МВТ-71У4.2 (увеличение до 500, фокусное расстояние до 20 mm).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить прозрачные наноразмерные пленки феррита висмута. При этом исходные компоненты, абиетаты висмута и железа, получают более простым способом за счет использования меньшего числа компонентов.

1. Способ получения пленок феррита висмута, характеризующийся тем, что раствор смеси абиетат висмута и абиетат железа в органическом растворителе с концентрацией 0,05-1,5 мг/г в равномольном их соотношении наносят на подложку, сушат, нагревают до температуры обжига и обжигают при температуре 500-600°С.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что абиетаты железа (III) и висмута (III) получают взаимодействием нитратов висмута и железа с абиетиновой кислотой в расплаве.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве органического растворителя используют 1,4-диоксан или гептан или гексан или этилацетат.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что сушку проводят при 80-150°С не менее 10 мин.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что нагрев проводят со скоростью 5-40°С/мин до температуры обжига.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что обжиг осуществляют порядка 0,5-2 часов на воздухе или в инертной атмосфере.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве подложки используют предварительно очищенную натрий-кальциевую стеклянную подложку.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов бария. Технический результат - повышение активности при измельчении смеси исходных ферритообразующих компонентов в производстве гексаферрита бария, обеспечивающей снижение температуры синтеза шихты обжига изделий.

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов бария. Технический результат - повышение коэрцитивной силы по намагниченности гексаферрита бария больше 230 кА/м и повышение активности при измельчении смеси исходных ферритообразующих компонентов, что приводит к значительному снижению температуры обжига.

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов стронция. Технический результат - повышение коэрцитивной силы по намагниченности гексаферрита стронция больше 235 кА/м и повышение активности при измельчении смеси исходных ферритообразующих компонентов в производстве гексаферрита стронция.

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов бария. Мокрое измельчение стехиометрической смеси карбоната бария и оксида железа проводят в кислой среде, содержащей полиакриловую кислоту и изопропиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%: лимонная кислота 0,2-1,8, изопропиловый спирт 2-8, вода 28-32, стехиометрическая смесь карбоната бария и оксида железа - остальное.
Изобретение относится к области наноразмерной технологии и может быть использовано для создания носителей информации с высокой плотностью записи, магнитных сенсоров с высокой чувствительностью и т.п., а также для применения в области медицины.

Изобретение относится к технологии магнитотвердых ферритов и может быть использовано при изготовлении гексаферритов стронция. Мокрое измельчение стехиометрической смеси карбоната стронция и оксида железа проводят в кислой среде, содержащей полиакриловую кислоту и изопропиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиакриловая кислота 0,2-0,6, изопропиловый спирт 4,0-10,0, карбонат кальция 0,2-1,0, вода 28-45, стехиометрическая смесь карбоната стронция и оксида железа - остальное.
Изобретение относится к области наноразмерной технологии и может быть использовано для создания носителей информации с высокой плотностью записи, магнитных сенсоров с высокой чувствительностью и т.п., а также для применения в области медицины.

Изобретение относится к получению каталитических мембран способом «золь-гель» и может быть использовано в каталитических мембранных реакторах конверсии метана. Способ получения комплекса "золь-гель" по меньшей мере из четырех солей металлов M1, M2, M3, и M4, приемлемых и предназначенных для получения материала типа перовскита, соответствующего общей формуле (I): A(1-x)A'xB(1-y-u)B'yB"uΟ3-δ (I), включает в себя стадии получения водного раствора водорастворимых солей элементов A, A', B, B' и при необходимости В" в стехиометрических соотношениях, необходимых для получения материала, определенного ранее; получения водно-спиртового раствора по меньшей мере одного неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ) в спирте, выбранном из метанола, этанола, пропанола, изопропанола или бутанола, смешанном с водным раствором аммиака в пропорции, достаточной для обеспечения полной солюбилизации неионогенного ПАВ в водно-спиртовом растворе, причем концентрация неионогенного ПАВ в водно-спиртовом растворе меньше критической мицеллярной концентрации; получения золя из указанных компонентов; сушки золя выпариванием растворителя.
Предложенное изобретение относится к технологии изготовления радиопоглощающих ферритов, которые находят все более широкое применение в безэховых камерах, для значительного снижения отражения радиоволн от стен.

Изобретение относится к составам материалов для атомной энергетики, в частности к однофазному керамическому оксидному жертвенному материалу, включающему Fe2O3, Al2O3, SrO.

Изобретение относится к способам ангобирования строительных и отделочных материалов, в частности стеклокремнезита. Способ ангобирования стеклокремнезита включает измельчение и рассев беложгущейся глины, плазменное напыление покрытия на поверхность стеклокремнезита и контроль качества, при этом производят усреднение беложгущейся глины и добавление к ней боя стекла, прошедшего измельчение, рассев и усреднение при массовом соотношении 1:1 соответственно, подачу предварительно подготовленной механической смеси в порошковый питатель и плазменное напыление смеси при мощности плазмотрона 6,0 кВт и расходе плазмообразующего газа 0,4 м3/мин.
Изобретение относится к стекольной промышленности и может быть использовано при производстве различных стеклянных изделий, например, бутылки, листового стекла, а также при производстве изделий из керамики.

Настоящее изобретение относится к низкоэмиссионному стеклу и способу его получения. Низкоэмиссинное стекло содержит низкоэмиссионный слой и слой диэлектрика, сформированный на низкоэмиссионном слое, причем указанное стекло обладает эмиссионной способностью от 0,01 до 0,3 и коэффициентом пропускания в видимой области спектра 80% или более.

Изобретение относится к способу формирования покрытия и покрытию из диоксида титана, содержащему кристаллы с размером кристаллитов менее 35 нм. .
Изобретение относится к области разработки и эксплуатации электрообогреваемых стеклоизделий, представляющих собой прозрачные элементы кабины различных видов транспортных средств.

Изобретение относится к подложке из стекла или керамики, поверхность которой защищена от органического загрязнения, вызванного мастиками, использующимися в качестве уплотнений и содержащими кремнийорганические материалы типа силиконов.

Изобретение относится к нанесению тонких слоев, т.е. .
Зеркало // 2159217
Изобретение относится к области оптических инструментов, создающих световое изображение предметов любой геометрической конфигурации. .

Изобретение относится к молочной промышленности и нанотехнологии. В получаемый продукт в процессе заквашивания вводят наноструктурированную добавку, включающую коэнзим Q10 в альгинате натрия или наноструктурированную добавку, включающую коэнзим Q10 в каррагинане, или наноструктурированную добавку включающую коэнзим Q10 в конжаковой камеди, или наноструктурированную добавку включающую коэнзим Q10 в геллановой камеди, или наноструктурированную добавку, включающую коэнзим Q10 в натрий карбоксиметилцеллюлозе.
Наверх