나노의 구성과 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9048(2023) 이 기사 인용

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타원형 나노 형태의 재능 있는 이중상 페라이트/강유전체 BaTi0.7Fe0.3O3@NiFe2O4(BFT@NFO)는 제어된 졸-겔 공정을 사용하여 화학적으로 합성되었으며 600°C에서 하소되었습니다. BaTi0.7Fe0.3O3(BTF) 나노 페로브스카이트의 미세구조, 상전이, 열 및 비유전율에 대한 NiFe2O4(NFO) 나노입자를 사용한 차폐 효과를 체계적으로 조사했습니다. X선 회절 패턴과 Full-Prof 소프트웨어는 BaTi2Fe4O11 육각형 상의 형성을 보여주었습니다. TEM 및 SEM 이미지는 BaTi0.7Fe0.3O3 코팅이 정교한 나노 타원형 NiFe2O4 형태로 성공적으로 제어되었음을 보여줍니다. NFO 차폐는 BFT@NFO 자기성 나노복합체의 열 안정성과 비유전율을 크게 향상시키고 퀴리 온도를 낮출 수 있습니다. 열중량 분석과 광학 분석을 사용하여 열 안정성을 테스트하고 효과적인 광학 매개변수를 추정했습니다. 자기 연구에서는 벌크 시스템에 비해 NiFe2O4 NP의 포화 자화가 감소한 것으로 나타났는데, 이는 표면 스핀 장애에 기인합니다. 여기서는 화학적으로 조정된 나노 타원형 바륨 티타네이트-철@니켈 페라이트 나노복합체를 사용하여 과산화물 산화 검출을 평가하기 위해 특성화 및 민감한 전기화학 센서를 구축했습니다. 마지막으로, BFT@NFO는 두 개의 전기화학적 활성 성분 및/또는 가능한 산화 상태와 시너지 효과를 통해 전기화학을 더욱 향상시킬 수 있는 입자의 나노 타원형 구조를 갖는 이 화합물에 기인할 수 있는 우수한 전기화학적 특성을 나타냈습니다. 결과는 BTF가 NFO 나노입자로 보호될 때 나노 타원형 BaTi0.7Fe0.3O3@NiFe2O4 나노복합체의 열적, 유전적, 전기화학적 특성이 동시에 개발될 수 있음을 뒷받침합니다. 따라서 과산화수소 측정을 위한 초민감 전기화학적 나노 시스템의 생산은 매우 중요합니다.

최근 몇 년 동안 페로브스카이트 재료가 잘 연구되었습니다. 가장 눈에 띄는 ABO3 강유전성 물질은 기하학적 및 전자적 안정성, 수성 및 비수성 용액에서의 높은 용해 저항성, 비용 효율성으로 인해 촉매로서 상당한 주목을 받아 왔습니다. 상온에서 강자성과 강유전성이 공존하는 결정성 다강 화합물은 거의 존재하지 않습니다1. 정보 저장, 스핀트로닉스 및 다중 상태 메모리 저장 장치 개발 분야에서의 잠재적인 응용으로 인해 이러한 화합물은 현재 집중적으로 연구되고 있습니다2,3. 페로브스카이트 세라믹의 실온 강자성과 강유전성을 개선하기 위한 엄청난 시도가 이루어졌습니다. 우수한 다강 효율을 갖는 물질을 합성할 수 있는 가능성을 탐구하기 위한 다양한 접근법이 진행되고 있습니다. 자기 도핑의 또 다른 가능한 방법은 강유전성 물질4,5을 통한 TM(전이 금속) 이온(Fe3+, Co2+, Ni2+, Mn2+ 등)입니다.

변환기, 표면 탄성파(SAW) 및 강유전성 랜덤 액세스 메모리(FeRAM) 장치와 같은 기술 응용 분야에서 압전 효과와 높은 유전율을 나타내는 주요 종류의 강유전성 재료입니다6. 페로브스카이트 ABO3의 구성에는 두 양이온(A와 B)이 모두 포함되어 있지만 A 원자는 B 원자보다 큽니다. Fe3+(0.645Å)의 이온 반경은 Ti4+(0.605Å)보다 큰 반면, Ba2+는 이온 반경(1.35Å)이 더 큽니다. BTO는 Ba2+ 및 O2- 이온이 산소(O2-) 생성 팔면체 구멍을 차지하는 Ti4+ 이온으로 밀집된 입방 격자를 생성하는 일반적인 ABO3 구성을 가지고 있습니다. BaTiO3 구조는 다면체 사이의 12겹 공간에서 Ba2+ 이온과 팔면체를 공유하는 TiO6 모서리의 3차원 배열을 가지고 있습니다. 원자의 배열은 A2+ 및 O2− 이온이 함께 밀집된 배열로 알려져 있습니다7. 구조와 크기 외에도 BTO의 특성은 화학적 조성에 따라 달라집니다. 등가 원소로 도핑된 페로브스카이트 재료는 구성 요소의 화학적 상태와 표본의 표면 화학을 기반으로 BaTiO3에 대한 흥미로운 전기적 특성을 보여줍니다. 그러나 이러한 나노물질의 주요 현상은 ABO3의 A 및 B 부위에서 양이온이 부분적으로 치환된다는 점과 흔하지 않은 혼합 산화 상태의 결정 구조에서 안정성을 보존하는 능력입니다8,9. 벌크 재료의 Ba, Ti, Fe 및 O 이온의 흥미로운 측면은 전자 결핍 및 표면 독성과 관련하여 논의되었습니다. Fe3+ 이온으로 도핑된 하소된 BaTiO3 나노물질의 화학 분석(ESCA)을 위한 광전자 분광학을 기반으로 한 최근의 여러 연구가 다루어졌습니다9,10,11,12. ESCA 또는 XPS는 구성 요소9,10,11,12의 핵심 수준에서 화학적 상태 또는 원자가 상태에 대한 정보와 전자 정보를 얻는 데 사용할 수 있는 표면 형태학적 기술입니다. 순수한 BaTiO3는 이온 전도성이 낮고 실온에서 절연체 역할을 합니다. 결함 모델은 수용체 불순물에 의한 Ti-사이트의 대체가 이온 및 전자 전도도를 모두 증가시키는 전하 캐리어 및 산소 결손의 형성 이유임을 나타냅니다. 우세한 전하 캐리어는 합성 조건과 수용체와 공여체의 의도하지 않은 불순물의 양에 따라 달라집니다. BaTiO3 세라믹에서 Fe3+ 이온은 일반적으로 Ti4+를 대체하며, 여기서 Fe3+ 이온은 3+ 원자가를 갖는 것으로 간주됩니다. 따라서 페로브스카이트 구조(BaTi1-xFexO3-δ, δ-oxygen vacancy)의 전하 중립성을 보존하기 위해서는 산소 공공(oxygen vacancy)이 생성되어야 한다. Abdel Aalet al. 2014년에는 3가 이온(Fe3+)이 4가 이온인 Ti4+를 대체하고 산소 결손을 생성하여 화합물의 전하 중성을 유지하는 졸-겔 방식으로 BaTi1-xFexO3를 성공적으로 제조했습니다13.