チタン酸バリウムナノ粒子におけるサイズ効果の解明

钛酸钡纳米粒子尺寸效应的阐明

• 批准号: 06J05703
• 负责人: 保科 拓也
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-06J05703/
• 关键词: チタン酸バリウム; サイズ効果; ナノ粒子; 強誘電体; 誘電特性; 表面構造; 粒子構造; 相転移; 格子振動解析; 結晶構造解析

本研究は,チタン酸バリウム(BaTiO_3)ナノ粒子の誘電特性が粒子サイズによって変化する現象,いわゆるサイズ効果を解明するために行なった。まず,シュウ酸塩の2段階熱分解法という方法によって,不純物や欠陥濃度が極めて低いBaTiO_3ナノ粒子を作製し,誘電率の粒子サイズ依存性について検討した。その結果,粒子径140nm付近で比誘電率が約5,000という極大値を示すことを見出した。この理由を明らかにするために,BaTiO_3ナノ粒子が持つ粒子複合構造に着目した。高輝度放射光X線回折によって得られたBaTiO_3ナノ粒子の回折パターンについて精密解析を行なった結果,BaTiO_3ナノ粒子が内部正方晶層(バルク層),格子歪の傾斜層(Gradient-Lattice-Strain Layer,GLSL),表面立方晶層の3層構造で構成されることが明らかになった。このGLSLは正方晶から立方晶へ連続的に構造が変わる層で両者の相転移の過渡的な構造を反映し,結晶内ポテンシャルの平坦化により極めて高い誘電率を有すると推定される。一方,表面層は低誘電率の常誘電層であると考えられる。これら3層の誘電率を仮定し粒子全体の誘電率をシミュレーションした結果,粒子径140nmにおいて誘電率が極大を生じる現象を再現することができた。さらに,微粒子の誘電率は,表面立方晶層およびGLSL層の厚みにより支配され,立方晶層が厚い場合には,誘電率は粒子径の減少とともに単調に減少することが明らかとなった。GLSLの存在を考慮した複合構造モデルに基づくと,強誘電体微粒子の臨界径,誘電率の粒子サイズ依存性,誘電率の温度依存性,キュリー点の粒子サイズ依存性などの現象が一般的に説明でき,これまで不明であった強誘電体微粒子のサイズ効果が本研究により明らかになったといえる。

本研究旨在阐明所谓的尺寸效应，即钛酸钡 (BaTiO_3) 纳米粒子的介电性能随粒径变化的现象。首先，采用草酸盐两步热解法制备了杂质和缺陷浓度极低的BaTiO_3纳米粒子，并研究了介电常数的粒径依赖性。结果发现，相对介电常数在粒径140nm附近达到约5,000的最大值。为了阐明其原因，我们重点研究了BaTiO_3纳米颗粒的颗粒复合结构。通过对高强度同步辐射(GLSL)获得的BaTiO_3纳米粒子的衍射图进行精确分析，发现其由表面立方层的三层结构组成。这种GLSL是结构从四方到立方不断变化的层，估计它反映了两者之间相变的瞬态结构，并且由于晶内电势的平坦化而具有极高的介电常数。另一方面，表面层被认为是具有低介电常数的顺电层。通过假设这三层的介电常数来模拟整个颗粒的介电常数，我们能够再现介电常数在粒径为140 nm时达到最大值的现象。此外，还发现细颗粒的介电常数受表面立方层和GLSL层的厚度控制，当立方层厚时，介电常数随着颗粒尺寸的减小而单调降低。基于考虑GLSL存在的复合结构模型，铁电颗粒的临界直径、介电常数对颗粒尺寸的依赖性、介电常数对温度的依赖性、居里点对颗粒尺寸的依赖性等现象被可以说，这项研究澄清了迄今为止未知的铁电粒子的尺寸效应。

项目成果

Evaluation and Statistical Analysis of Dielectric Permittivity of BaTiO_3 Powders

BaTiO_3粉末介电常数的评价与统计分析

• 发表时间: 2006
• 作者: T.Tsurumi; T.Sekine; H.Kakemoto; T.Hoshina; S.
• 通讯作者: S.

新規誘電率測定法によるチタン酸バリウム微粒子の誘電特性評価

使用新的介电常数测量方法评估钛酸钡细颗粒的介电性能

• 发表时间: 2008
• 作者: 保科 拓也; 長田 勝士; 掛本 博文; 鶴見 敬章
• 通讯作者: 鶴見 敬章

強誘電体微粒子におけるナノ粒子構造の解析

铁电粒子中纳米粒子结构的分析

• 发表时间: 2007
• 作者: 保科 拓也; 和田 智志; 黒岩 芳弘; 掛本 博文; 鶴見 敬章
• 通讯作者: 鶴見 敬章

Dielectric Measurement for Barium Titanate Nanoparticles using Far Infrared Reflection Method

远红外反射法测量钛酸钡纳米粒子的介电常数

• 发表时间: 2007
• 作者: T. Hoshina; H. Kakemoto; T. Tsurumi; S. Wada
• 通讯作者: S. Wada

Composite Structure and Size Effect of Barium Titanate Nanoparticles

纳米钛酸钡颗粒的复合结构及尺寸效应

• DOI: 10.1109/isaf.2007.4393303
• 发表时间: 2007-05-27
• 期刊: 2007 Sixteenth IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics
• 作者: T. Hoshina;S. Wada;Y. Kuroiwa;H. Kakemoto;T. Tsurumi
• 通讯作者: T. Tsurumi