钛酸钡纳米管阵列的制备及纳米结构钛酸钡介电性能研究

【摘要】钛酸钡(BaTiO3,简写BTO)材料是一种性能优良的铁电材料。近年来由于小型化和集成铁电体组件的增加,许多研究都聚焦于纳米结构,一维纳米结构如纳米线、纳米棒和纳米管,因具有依赖于其特殊结构的特性更受到广泛的关注。本文主要有两个部分：第一部分是铁电钛酸钡纳米管阵列的制备及其性能研究；第二部分分析了纳米晶钛酸钡的介电性能,并重点讨论了70nm的纳米晶钛酸钡的介电性能及弛豫机制。二氧化钛纳米管阵列(TiNTs)采用阳极氧化法制备,通过改变阳极氧化的电压和氧化时间等实验参数制备了一组TiO2纳米管阵列。使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征样品的结构及微观形貌。XRD图谱显示阳极氧化法制备的TiO2纳米管为无定型态；SEM图片证实了样品具有高度有序的纳米管形状。单晶BaTiO3纳米管阵列以水热法制备,使用TiO2纳米管阵列模板,并作为反应中的钛源,通过调节水热合成的参数,如溶液中Ba2+浓度、水热温度、合成时间,制得一系列BaTiO3纳米管阵列。利用XRD、SEM、宽屏介电阻抗谱仪(BDS)测试了样品的晶体结构、微观形貌及介电性能。XRD数据表明水热模板法制备的BaTiO3纳米管样品为单一立方相；SEM照片显示样品具有整齐的管结构,管壁较水热反应前明显变厚,Ti02纳米管阵列有很大一部分转变成BaTiO3纳米管阵列；BDS测试数据表明单晶BaTiO3纳米管阵列薄膜介电常数可达数百。铁电BaTiO3纳米管阵列是对介电性能较好的单晶BaTiO3纳米管阵列进行退火处理得到,分别采用不同的退火温度。结合XRD、SEM、宽屏介电阻抗谱仪、铁电分析仪(TFAnalyzer)表征了BaTiO3纳米管的晶体结构、形貌、介电及铁电性能。XRD数据表明退火后的BaTiO3纳米管是四方相和立方相的共存晶相；SEM照片显示高达800℃的退火处理后,依然保留了管结构；宽屏接电阻抗谱仪数据显示退火后的BaTiO3纳米管阵列薄膜介电常数大幅提高,可达1000；TFAnalyzer测出了样品的电滞回线,即退火后得到了铁电BaTiO3纳米管阵列薄膜。最后,利用宽屏介电阻抗谱仪研究了纳米晶钛酸钡陶瓷的介电性能。分析得到晶粒尺寸与相变的关系；讨论了70nm钛酸钡的弛豫机制,把样品低频段巨大介电常数归因于Maxwell-Wagner效应；发现纳米晶钛酸钡有明显的热激活效应,其在一定范围内符合Debye弛豫模型,低频偏离Debye模型是界面极化导致。
【作者】廖昕星；
【导师】邓湘云；
【作者基本信息】海南大学，材料学，2014，硕士
【关键词】氧化钛纳米管阵列；水热法；钛酸钡纳米管；退火；铁电性；介电性能；纳米晶钛酸钡陶瓷；

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