雜化非本征鐵電體Ca3Ti2O7陶瓷的溶膠-凝膠法制備

尚玉雪，王守宇*

(天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院 天津300387)

近幾年，雜化非本征鐵電體(HIF)以其在通過(guò)晶格畸變誘導(dǎo)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁電耦合進(jìn)而產(chǎn)生室溫多鐵方面的潛在技術(shù)應(yīng)用前景引起了人們的廣泛興趣。雜化非本征鐵電體是非本征鐵電體中的一典型代表，其自發(fā)極化起源于兩項(xiàng)或多項(xiàng)非鐵電結(jié)構(gòu)序參數(shù)的雜化。此特性源于HIF中的離子擁有未飽和的d軌道，這不僅有利于(反)鐵磁性，同時(shí)還可以與氧構(gòu)成氧八面體，使其對(duì)于金屬-氧-金屬鍵角非常敏感。HIF的鐵電性是由氧八面體傾斜與旋轉(zhuǎn)兩種模式組成的復(fù)雜畸變所引起的，即鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的a-a-c0和a0a0c+(用Glazer符號(hào)表示)。已有研究報(bào)道指出，HIF存在于Runddlesden-Popper(R-P)結(jié)構(gòu)中[1]。

Ruddlesden-Popper(R-P)家族的結(jié)構(gòu)通式是An+1BnC3n+1的復(fù)合物(n是整數(shù))，其中離子的價(jià)態(tài)為A＝+2，B＝+4，C(通常是氧元素)＝-2。比如SrTiO3可以看作是n=∞的R-P材料。通常在高溫(T≈800K)時(shí)，R-P結(jié)構(gòu)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)是四方體；當(dāng)溫度下降時(shí)，RP結(jié)構(gòu)物質(zhì)會(huì)經(jīng)歷相變，變?yōu)檎幌郲2]。

Ca3Ti2O7可以看作是通式為Can+1TinO3n+1或CaO(CaTiO3)n的R-P結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每n層鈣鈦礦層嵌插入一個(gè)CaO鹽巖層。因此Ca3Ti2O7屬于n＝2的R-P結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上看成雙鈣鈦礦層(CaTiO3)2與單層鹽巖層CaO交替堆積而成，空間群為Ccm21。

Benedek等[3]根據(jù)第一性原理計(jì)算，指出這種材料的鐵電極化可以通過(guò)氧八面體的傾斜與旋轉(zhuǎn)模式來(lái)誘導(dǎo)產(chǎn)生，并用術(shù)語(yǔ)“hybrid”improper ferroelectricity(HIF)來(lái)描述這種鐵電機(jī)理。這為尋找強(qiáng)的磁電耦合材料提供了新的途徑，Ca3Ti2O7因此被認(rèn)為是很有潛力應(yīng)用于磁電存儲(chǔ)器件的一種多鐵材料。

Ca3Ti2O7屬于雜化非本征鐵電體(“hybrid”improper ferroelectricity)?！胺潜菊鳌笔侵福F電極化現(xiàn)象產(chǎn)生的主要影響參數(shù)不是鐵電極化；“雜化非本征”是指，同時(shí)進(jìn)行不止一個(gè)主要參數(shù)來(lái)產(chǎn)生鐵電極化現(xiàn)象[4]。

近年來(lái)，化學(xué)溶液沉積技術(shù)(有時(shí)被稱為溶膠-凝膠法)已廣泛應(yīng)用于合成材料。溶膠-凝膠法是以濕化學(xué)工藝為基礎(chǔ)的，涉及到溶膠的制備、溶膠的凝膠化和去除凝膠內(nèi)緊密相連的通道中存在的液體。與上述固相反應(yīng)和光學(xué)浮動(dòng)區(qū)法相比，溶膠-凝膠技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，制備金屬氧化物是一個(gè)簡(jiǎn)單而廉價(jià)的過(guò)程，可以控制摻雜過(guò)程或過(guò)渡金屬的加入；其次，由于混合在分子水平上具有較好的均勻性，可以獲得均勻、高純度、小尺度的粉體；第三，使用溶膠凝膠法不僅可以制備出多種氧化物成分，還可以制備出非氧化物，甚至制備出自然界中不存在的新雜化有機(jī)-無(wú)機(jī)材料[5]。在以往的工作中，前人采用多種方法合成了各種形式的Ca3Ti2O7，如光學(xué)浮區(qū)法[6]、標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)法[1]和脈沖激光沉積法[7]，但是到目前為止，尚未見(jiàn)關(guān)于使用溶膠-凝膠法成功合成Ca3Ti2O7的報(bào)道。

本文采用溶膠-凝膠法合成了高質(zhì)量、最佳顯微結(jié)構(gòu)的CTO陶瓷，并對(duì)影響成相的工藝條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料及樣品制備

圖1為溶膠凝膠法合成Ca3Ti2O7樣品流程圖。采用溶膠-凝膠法合成Ca3Ti2O7陶瓷的主要化學(xué)試劑為高純度的Ca(NO3)2·4H2O和Ti(OC4H9)4。將Ca(NO3)2·4H2O和Ti(OC4H9)4溶于乙二醇中，再加入與金屬陽(yáng)離子摩爾比為1∶1的酒石酸，其中Ti(OC4H9)4、硝酸鹽Ca(NO3)2·4H2O與酒石酸的摩爾比為2∶3∶5；乙二醇溶劑的添加量需要滿足Ti(OC4H9)4和硝酸鹽Ca(NO3)2·4H2O的濃度為0.6mol/L。用磁力攪拌器在70℃連續(xù)攪拌8h，直至成為無(wú)色透明溶液。之后在90℃對(duì)混合物進(jìn)行干燥，直到其在烘干爐中失去流動(dòng)性；隨后在140～170℃范圍內(nèi)再保持5h，使其轉(zhuǎn)化為干凝膠；然后在300℃和600℃的空氣中分別燒結(jié)2h和4h，去除殘留的有機(jī)物后將其研磨成粉。最后，在1000～1550℃的空氣中進(jìn)一步煅燒10～50h，得到產(chǎn)物粉體樣品。

圖1 溶膠凝膠法合成Ca3Ti2O7樣品流程圖Fig.1 Preparation flow chart of Ca3Ti2O7 by sol-gel method

1.2 性能測(cè)試

利用X射線衍射儀(Rigaku D/Max-2500衍射計(jì)，采用CuKα輻射)測(cè)定樣品的結(jié)構(gòu)和純度。

2 晶體結(jié)構(gòu)分析

為了研究不同的制備條件對(duì)于樣品純度的影響，我們?cè)诓煌娓蓽囟?、不同燒結(jié)溫度以及不同的燒結(jié)時(shí)間條件下制備了一系列Ca3Ti2O7陶瓷材料，并測(cè)試出各個(gè)樣品的X射線衍射(XRD)。圖2和圖3展示了在烘干溫度為170℃和140℃下烘干后，使用不同燒結(jié)溫度以及不同燒結(jié)時(shí)間條件下所制備的一系列Ca3Ti2O7陶瓷材料。

圖2 分別在140℃和170℃下烘干前驅(qū)物、在相同燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下制備的Ca3Ti2O7樣品的XRD圖像Fig.2 XRD patterns of powders prepared at same temperatures and time：Ca3Ti2O7 turned into a xerogel at 140℃ and 170℃ respectively.

圖3 在不同燒結(jié)溫度和時(shí)間下制備樣品的XRD圖Fig.3 XRD patterns of powders prepared at different temperatures and time

在圖2中可以看到，當(dāng)燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間相同時(shí)，經(jīng)140℃和170℃烘干的樣品的XRD圖基本一致，均主要由Ca3Ti2O7相組成。這表明Ca3Ti2O7陶瓷的干凝膠轉(zhuǎn)變溫度不是合成純相的決定性因素，烘干溫度對(duì)于樣品純度無(wú)影響。

從圖3(a)中可以觀察到，170℃下烘干的樣品，在使用較低的燒結(jié)溫度(1400℃)合成時(shí)，樣品中雜項(xiàng)較多。隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品中雜項(xiàng)開(kāi)始減少。從圖3(b)中可以觀察到，140℃下烘干的樣品隨著燒結(jié)溫度的增加，樣品中雜項(xiàng)在減少。但是當(dāng)燒結(jié)溫度增加到1450℃時(shí)，樣品中雜項(xiàng)又開(kāi)始增加。圖3(c)和(d)展示了在相同溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)楦赡z，在不同溫度下(1440℃、1435℃和1420℃)煅燒制備的Ca3Ti2O7陶瓷XRD圖像。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度為1440℃時(shí)，得到了純相Ca3Ti2O7(圖3(c))。當(dāng)燒結(jié)溫度降至1435℃和1420℃，即有CaO相衍射峰出現(xiàn)。隨著燒結(jié)溫度的降低，CaO相衍射峰增變得越來(lái)越強(qiáng)。據(jù)此可以得出結(jié)論：燒結(jié)溫度是合成純相的決定性因素。燒結(jié)溫度處于1420～1440℃之間時(shí)，是溶膠-凝膠法制備Ca3Ti2O7陶瓷材料成相的最佳溫度范圍。

當(dāng)樣品處于最佳燒結(jié)溫度范圍即1420～1440℃之間時(shí)，對(duì)比觀察圖3(a)、(b)使用不同的燒結(jié)時(shí)間得到樣品的XRD發(fā)現(xiàn)：處于170℃烘干、1430℃燒結(jié)的樣品，當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為24h時(shí)，樣品中雜項(xiàng)增多；當(dāng)燒結(jié)時(shí)間為30h時(shí)，樣品中幾乎沒(méi)有雜項(xiàng)。同樣還可觀察到，當(dāng)樣品處于最佳燒結(jié)溫度1420～1440℃、燒結(jié)時(shí)間為30～40h時(shí)，樣品純度很高，幾乎沒(méi)有雜項(xiàng)。這表明燒結(jié)時(shí)間是除了燒結(jié)溫度以外、影響樣品純度的另一重要因素。

綜上可以得出結(jié)論：Ca3Ti2O7陶瓷的干凝膠轉(zhuǎn)變溫度不是合成純相的決定性因素；燒結(jié)溫度是合成純相的決定性因素之一。燒結(jié)溫度處于1420～1440℃之間時(shí)，是溶膠-凝膠法制備Ca3Ti2O7陶瓷材料的最佳溫度范圍。燒結(jié)時(shí)間是合成純相的另一關(guān)鍵因素。當(dāng)樣品處于最佳燒結(jié)溫度1420～1440℃之間時(shí)，Ca3Ti2O7陶瓷材料燒結(jié)的最佳時(shí)長(zhǎng)為30～40h。

為了分析Ca3Ti2O7的晶體結(jié)構(gòu)，我們利用FULLPROF軟件對(duì)樣品的XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行了Rietveld精修，精修結(jié)果和結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。Ca3Ti2O7的晶胞參數(shù)分別為a＝5.4126(25)?，b＝19.5111(52)?，c＝5.4197(40)?，V＝572.36?3(表1)。與2015年報(bào)道的采用標(biāo)準(zhǔn)固相反應(yīng)法所制備的Ca3Ti2O7陶瓷(a＝5.4100(21)?，b＝19.4810(48)?，c＝5.4261(25)?，V＝571.88(38)?3)[1]相比，本工作使用酒石酸溶膠—凝膠法所制備的純Ca3Ti2O7陶瓷的晶格參數(shù)值稍大一些。

圖4 Ca3Ti2O7的晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The unit cell structure of Ca3Ti2O7

表1 Ca3Ti2O7的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of Ca3Ti2O7 samples

3 結(jié) 論

本研究采用溶膠-凝膠法成功制備了Ca3Ti2O7陶瓷，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行性能測(cè)試得出如下結(jié)論：

Ca3Ti2O7陶瓷的干凝膠轉(zhuǎn)變溫度不是合成純相的決定性因素；燒結(jié)溫度是合成純相的決定性因素，燒結(jié)溫度處于1420～1440℃之間，是Ca3Ti2O7陶瓷材料成相的最佳溫度范圍；燒結(jié)時(shí)間是合成純相的關(guān)鍵因素，當(dāng)樣品處于最佳燒結(jié)溫度1420～1440℃之間時(shí)，燒結(jié)的最佳時(shí)長(zhǎng)為30～40h。