纳米钛酸锶钡材料的制备【字数：7408】
BaxSr1-xTiO3(BST)是一种常见的钙钛矿型铁电材料，具有优良的铁电、热释电以及绝缘和耐压性能，广泛的应用于容量大而体积小的微型电容器、超大规模的动态随机存储器、热敏电阻、调谐微波器件中。本论文的主要内容是以易溶于水的BaCl2.2H2O、SrCl2.6H2O以及C16H36O4Ti为原料，利用溶胶凝胶法和固相烧结法制备BaxSr1?xTiO3 (x=0.6、0.7、0.8)纳米粉体，并进行光催化实验，借助XRD、SEM、UV-Vis等工具对材料的物相组成、晶体结构、微观形貌、光催化性能等进行表征。此外还采用溶胶凝胶水热法制备钛酸锶钡粉体，去除了固相烧结法制得粉体中的杂质TiO2和BaCl2.2H2O，得到纯净度高的BST粉体，为钛酸锶钡纳米粉体在光催化等方面的应用提供了数据。
目录
1．绪论 1
1.1铁电材料 1
1.2钙钛矿结构 2
1.3钛酸锶钡研究现状 3
1.5本论文的主要内容 5
2.纳米钛酸锶钡材料的制备与表征 6
2.1实验原料 6
2.2实验仪器 6
2.3实验步骤 7
2.3.1 固相烧结法制备纳米钛酸锶钡 7
2.3.2复合光催化剂的制备 8
2.3.3水热法制备纳米钛酸锶钡 9
3.实验结果与分析 10
3.1 X射线衍射测试 10
3.2扫描电子显微镜 10
3.3光催化反应 12
3.3.1光催化反应原理 12
3.3.2液体紫外 12
3.4实验改进 13
4.总结与展望 17
4.1总结 17
4.2展望 17
参考文献 18
致谢 19
1．绪论
1.1铁电材料
近代社会的发展得益于材料的发展，材料是人们用于制造机械、物品、构件的物质，材料渗透在人类生活的方方面面。历史学家把材料视为人类发展的里程碑，将时代划分为石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代,如图1.1所示。
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图1.1以 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
材料划分的人类发展历史
具备铁电性质的材料称为铁电材料，在一定温度范围内，无外加电场情况下自发极化，且自发极化的矢量取向会随着外场的变化而变化。铁电材料的电极化强度P与外加电场E之间的关系如图1.2所示。
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图1.2 铁电体的电滞回线关系图
在外电场的作用下，自发极化强度矢量方向能够沿着某些特定的晶向重新取向的性质称为铁电性，铁电性只在没有对称中心的极化晶体中存在，因为对称的晶胞中没有电偶极子。例如高温下钛酸钡具有对称的简单立方晶胞，不具备铁电性和压电性，当温度降低时，钛酸钡钙钛矿结构转变为四方结构（非对称结构），在此结构中自发极化能够在外电场作用下反向，因此钛酸钡表现出铁电性以及压电性。
在晶体的特定方向上施加力，在力的垂直方向产生正负束缚电荷的现象称为压电效应，压电效应分为正压电效应和负压电效应，晶体结构中缺少对称中心就有可能产生压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料，这一类材料是制备光电器件的关键性材料。
光催化性与能带结构有关，当有一束能量大于等于禁带宽度的光照射到半导体上，价带中的电子就会被激发跃迁到导带上，电子从价带跃迁至导带后在价带上留下了带正电的具有强氧化性的空穴，在导带上形成了带负电的具有强还原性的电子，光生空穴与光生电子均可对多种有机物进行氧化。铁电材料一般是宽禁带半导体，产生的光生空穴与光生电子能量高，氧化还原能力强，因此光催化性能好。
1.2钙钛矿结构
在铁电材料的四种结构中，钙钛矿结构是最常见的也是研究最多的一种。ABO3钙钛矿结构为面心立方格子，由O离子（非金属元素）和半径比较大的A离子（一价、二价金属离子）以及半径比较小的B离子（三价、四价金属离子）共同组成立方最紧密堆积。A离子占据立方晶体的八个顶点，O离子占据立方体的六个面心位置，而半径比较小的B离子则填充在四分之一的八面体空隙中，理想的钙钛矿结构为等轴晶系，晶体结构如图1.3所示。
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图1.3 ABO3钙钛矿结构示意图
理想情况下，rA+rO=√2(rB+rO)（rA、rB、rO分别为A、B、O离子的半径），此时钙钛矿晶体结构在温度场、磁场、应力场以及掺杂的影响下容易产生一系列的畸变，使得钙钛矿的正负电荷中心不重合而成为极性分子，产生偶极矩，发生自发极化，从而产生铁电和压电等特殊性质。而实际上晶体结构会偏离理想结果，为了对钙钛矿结构稳定性进行定量的描述，1962年Goldschmidt首次提出容忍因子t来描述晶体的结构稳定性和离子之间的大小关系[]，如下表1.1所示：
表1.1 钙钛矿晶体结构随着容忍因子t的变化规律
Goldschmidt factor
Effect
Structures
t>1
A cations“too large”
Hexagonal
0.9
Cubic
0.77
Orthothombic/Rhombohedral
0.77
Corundum
1.3钛酸锶钡研究现状
钛酸锶钡(BST)是钛酸锶、钛酸钡相互作用所形成得固溶体,钛酸锶钡(BaxSr1?xTiO3， BST)系列材料是一种重要的钙钛矿型铁电材料，Sr和Ba在A位置，Ti在B位置，O在O位置。
钛酸锶钡材料兼有钛酸锶高介电常数、钛酸钡低介电损耗的性能，且能通过调节 Sr / Ba的比例改变 BST 的居里温度，提高多层陶瓷电容器在其工作温度范围内的介电常数，Sr / Ba比例可调为BST的研究带来了很多可能性，因此BST被广泛的应用于容量大而体积小的微型电容器、超大规模的动态随机存储器、热敏电阻、调谐微波器件等，BST是一种很重要的功能电子材料。
BaxSr1xTiO3（BST）作为铁电材料，其特性与微观结构相关，可以通过控制材料的微观结构的方法来改善器件的性能。制备工艺可以影响材料的微观结构，微观结构可以影响器件的性能，因此，通过制备工艺的变化来改变BaxSr1xTiO3（BST）材料的微观结构，进而影响其某一电学特性，已经越来越引起人们的兴趣。各国研究人员对BST的制备方法、组成结构、性能以及应用等方面做了大量的研究，并且取得了很大的进展。
目录
1．绪论 1
1.1铁电材料 1
1.2钙钛矿结构 2
1.3钛酸锶钡研究现状 3
1.5本论文的主要内容 5
2.纳米钛酸锶钡材料的制备与表征 6
2.1实验原料 6
2.2实验仪器 6
2.3实验步骤 7
2.3.1 固相烧结法制备纳米钛酸锶钡 7
2.3.2复合光催化剂的制备 8
2.3.3水热法制备纳米钛酸锶钡 9
3.实验结果与分析 10
3.1 X射线衍射测试 10
3.2扫描电子显微镜 10
3.3光催化反应 12
3.3.1光催化反应原理 12
3.3.2液体紫外 12
3.4实验改进 13
4.总结与展望 17
4.1总结 17
4.2展望 17
参考文献 18
致谢 19
1．绪论
1.1铁电材料
近代社会的发展得益于材料的发展，材料是人们用于制造机械、物品、构件的物质，材料渗透在人类生活的方方面面。历史学家把材料视为人类发展的里程碑，将时代划分为石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代,如图1.1所示。
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图1.1以 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
材料划分的人类发展历史
具备铁电性质的材料称为铁电材料，在一定温度范围内，无外加电场情况下自发极化，且自发极化的矢量取向会随着外场的变化而变化。铁电材料的电极化强度P与外加电场E之间的关系如图1.2所示。
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图1.2 铁电体的电滞回线关系图
在外电场的作用下，自发极化强度矢量方向能够沿着某些特定的晶向重新取向的性质称为铁电性，铁电性只在没有对称中心的极化晶体中存在，因为对称的晶胞中没有电偶极子。例如高温下钛酸钡具有对称的简单立方晶胞，不具备铁电性和压电性，当温度降低时，钛酸钡钙钛矿结构转变为四方结构（非对称结构），在此结构中自发极化能够在外电场作用下反向，因此钛酸钡表现出铁电性以及压电性。
在晶体的特定方向上施加力，在力的垂直方向产生正负束缚电荷的现象称为压电效应，压电效应分为正压电效应和负压电效应，晶体结构中缺少对称中心就有可能产生压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料，这一类材料是制备光电器件的关键性材料。
光催化性与能带结构有关，当有一束能量大于等于禁带宽度的光照射到半导体上，价带中的电子就会被激发跃迁到导带上，电子从价带跃迁至导带后在价带上留下了带正电的具有强氧化性的空穴，在导带上形成了带负电的具有强还原性的电子，光生空穴与光生电子均可对多种有机物进行氧化。铁电材料一般是宽禁带半导体，产生的光生空穴与光生电子能量高，氧化还原能力强，因此光催化性能好。
1.2钙钛矿结构
在铁电材料的四种结构中，钙钛矿结构是最常见的也是研究最多的一种。ABO3钙钛矿结构为面心立方格子，由O离子（非金属元素）和半径比较大的A离子（一价、二价金属离子）以及半径比较小的B离子（三价、四价金属离子）共同组成立方最紧密堆积。A离子占据立方晶体的八个顶点，O离子占据立方体的六个面心位置，而半径比较小的B离子则填充在四分之一的八面体空隙中，理想的钙钛矿结构为等轴晶系，晶体结构如图1.3所示。
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图1.3 ABO3钙钛矿结构示意图
理想情况下，rA+rO=√2(rB+rO)（rA、rB、rO分别为A、B、O离子的半径），此时钙钛矿晶体结构在温度场、磁场、应力场以及掺杂的影响下容易产生一系列的畸变，使得钙钛矿的正负电荷中心不重合而成为极性分子，产生偶极矩，发生自发极化，从而产生铁电和压电等特殊性质。而实际上晶体结构会偏离理想结果，为了对钙钛矿结构稳定性进行定量的描述，1962年Goldschmidt首次提出容忍因子t来描述晶体的结构稳定性和离子之间的大小关系[]，如下表1.1所示：
表1.1 钙钛矿晶体结构随着容忍因子t的变化规律
Goldschmidt factor
Effect
Structures
t>1
A cations“too large”
Hexagonal
0.9
Cubic
0.77
Orthothombic/Rhombohedral
0.77
Corundum
1.3钛酸锶钡研究现状
钛酸锶钡(BST)是钛酸锶、钛酸钡相互作用所形成得固溶体,钛酸锶钡(BaxSr1?xTiO3， BST)系列材料是一种重要的钙钛矿型铁电材料，Sr和Ba在A位置，Ti在B位置，O在O位置。
钛酸锶钡材料兼有钛酸锶高介电常数、钛酸钡低介电损耗的性能，且能通过调节 Sr / Ba的比例改变 BST 的居里温度，提高多层陶瓷电容器在其工作温度范围内的介电常数，Sr / Ba比例可调为BST的研究带来了很多可能性，因此BST被广泛的应用于容量大而体积小的微型电容器、超大规模的动态随机存储器、热敏电阻、调谐微波器件等，BST是一种很重要的功能电子材料。
BaxSr1xTiO3（BST）作为铁电材料，其特性与微观结构相关，可以通过控制材料的微观结构的方法来改善器件的性能。制备工艺可以影响材料的微观结构，微观结构可以影响器件的性能，因此，通过制备工艺的变化来改变BaxSr1xTiO3（BST）材料的微观结构，进而影响其某一电学特性，已经越来越引起人们的兴趣。各国研究人员对BST的制备方法、组成结构、性能以及应用等方面做了大量的研究，并且取得了很大的进展。
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