نانو ذرات باریم تیتانات 100 نانومتر

کاربرد نانوذرات باریم تیتانات BaTiO3 ، مکعبی:

ذخیره اطلاعات نوری با چگالی بالا ؛ آینه ها و لیزرهای کونژوگه فاز ؛ دستگاه های نوری غیر خطی ؛ الگو شناسی؛ میکرو خازن ها سرامیک فروالکتریک؛ ترمیستور PTC؛ دستگاه های قابل برنامه ریزی روی تراشه ؛ محاسبات نوری ؛ پردازش تصویر نوری ؛ دستگاه های پیزوالکتریک سنسورهای پیروالکتریک سرامیک نیمه هادی؛ واریستور دستگاه های الکترو نوری ؛ خازن های سرامیکی؛ تقویت کننده های دی الکتریک هولوگرافی پویا

باریم تیتانات (BaTiO₃) یک ماده سرامیکی فروالکتریک با ساختار پروسکایت است که به دلیل خواص دی‌الکتریک بالا، پیزوالکتریک و فروالکتریک، در خازن‌های سرامیکی چندلایه (MLCC)، حسگرها، مبدل‌های پیزوالکتریک و کاربردهای نوری استفاده می‌شود.

روش‌های اصلی سنتز باریم تیتانات

روش‌های سنتز به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: روش‌های حالت جامد (دمای بالا) و روش‌های شیمیایی مرطوب (دمای پایین‌تر، مناسب برای نانوذرات).

1. روش حالت جامد (Solid-State Reaction) رایج‌ترین روش صنعتی. مواد اولیه: کربنات باریم (BaCO₃) و دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂). فرآیند: مخلوط کردن، آسیاب کردن (برای همگن‌سازی)، کلسیناسیون در دمای ۱۰۰۰-۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد. واکنش: BaCO₃ + TiO₂ → BaTiO₃ + CO₂ مزایا: ساده و ارزان. معایب: ذرات بزرگ (میکرونی)، ناخالصی احتمالی، نیاز به دمای بالا.
2. روش هیدروترمال (Hydrothermal Synthesis) محبوب برای نانوذرات خالص و تتراگونال. مواد اولیه: هیدروکسید باریم (Ba(OH)₂) یا نمک‌های باریم و پیش‌ماده‌های تیتانیوم (مانند TiO₂ یا تیتانات‌ها). فرآیند: مخلوط در محیط قلیایی قوی (مانند KOH یا NaOH)، قرار دادن در اتوکلاو در دمای ۱۰۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد و فشار بالا برای چند ساعت تا几天. مزایا: ذرات نانو (۲۰-۲۵۰ نانومتر)، خلوص بالا، کنترل اندازه و شکل، فاز تتراگونال مستقیم. معایب: نیاز به تجهیزات فشار بالا.

3. روش سل-ژل (Sol-Gel) مناسب برای پودرهای نانو و فیلم‌های نازک. مواد اولیه: الکوکسیدهای تیتانیوم (مانند تیتانیوم ایزوپروپوکساید) و نمک‌های باریم (مانند استات باریم). فرآیند: حل کردن پیش‌ماده‌ها، تشکیل سل، ژل شدن، خشک کردن و کلسیناسیون در ۶۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد. مزایا: همگنی بالا در سطح اتمی، ذرات ریز. معایب: حساس به رطوبت، هزینه بالاتر پیش‌ماده‌ها.

Flowchart of synthesis of Barium titanate powder by sol-gel method ...

4. سایر روش‌ها
   • سولوترمال: مشابه هیدروترمال اما با حلال‌های آلی (مانند اتانول).
   • هم‌رسوبی (Co-Precipitation): رسوب همزمان یون‌های Ba و Ti.
   • مکانوشیمیایی: آسیاب توپ با انرژی بالا برای فعال‌سازی مکانیکی.
   • ترکیبی (مانند سل-هیدروترمال): برای کنترل بهتر فاز متاستابل.

ساختار کریستالی نانو باریم تیتانات

باریم تیتانات در دمای اتاق فاز تتراگونال (فروالکتریک) دارد و بالای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به فاز مکعبی (پارالکتریک) تبدیل می‌شود.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) از نانوذرات

نانوذرات باریم تیتانات معمولاً کروی یا مکعبی شکل هستند و اندازه آن‌ها بسته به روش سنتز کنترل می‌شود.

Scanning electron microscopy micrograph of barium titanate surface ...

انتخاب روش سنتز باریم تیتانات بستگی به کاربرد دارد: برای خازن‌های دقیق، نانوذرات هیدروترمال ترجیح داده می‌شود، در حالی که روش حالت جامد برای تولید انبوه اقتصادی است.