CN103113395B - 水合d-酒石酸硫酸钕铁电功能材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料及制备方法，其分子式为[Nd₂(H₂O)₂(D-C₄H₄O₆)₂(SO₄)]·4H₂O，该铁电功能材料的铁电特征参数分别为：剩余极化强度2Pr=0.04μC·cm^–2，矫顽电场2Ec=12.6kv·cm^–1，饱和极化强度Ps=0.282μC·cm^–2；该铁电功能材料饱和极化强度是罗息盐的1.13倍，是铁电特性能优异的新的铁电体。该铁电功能材料的制方法用乙醇溶剂进行三氧化二钕与D-酒石酸的溶剂热反应，再加硫酸溶液在反应釜中进行成核与生长为水合D-酒石酸硫酸钕，具有流程少，工艺简单，对设备要求低，无污染，成本低，易于产业化的优点。

Description

水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料及制备方法

技术领域

本发明涉及铁电功能材料，具体涉及水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料及制备方法。

背景技术

铁电功能材料具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。从晶体学角度，只有1(C₁)，m(C_s)，2(C₂)，2m(C_2v)，3(C₃)，3m(C_3v)，4(C₄)，4m(C_4v)，6(C₆)，6m(C_6v)的10种极性点群符合铁电功能材料的要求。最早的铁电效应是在1920年由法国人Valasek在罗谢尔盐中发现的，这一发现揭开了研究铁电材料的序幕。在1935年Busch发现了磷酸二氢钾KH₂PO₄–简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的其它材料。20世纪80年代中期，薄膜制备技术的突破为制备高质量的铁电薄膜扫清了障碍，并且近年来随着对器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不断提高，传统的铁电块体由于尺寸限制已经不能满足微电子器件的要求。从目前的研究现状来看,对于具有高性能的铁电材料的研究和开发应用仍然处于发展阶段。金属有机配位化学的发展为新型功能材料的设计和开发提供了崭新的思路，并大大推动了材料科学的发展，其主要策略在于通过选择合适的金属离子与有机配体，借助金属离子与有机配体之间的配位键合作用，来实现新颖功能材料的设计和构筑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铁电特性较好，饱和极化强度Ps值为0.307μC·cm^–2的水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料。本发明还提供了该铁电功能材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料，其分子式为[Nd₂(H₂O)₂(D-C₄H₄O₆)₂(SO₄)]·4H₂O，该铁电功能材料为纯度不低于99%的单斜晶系粉体，为C₂极性点群结构，其铁电特征参数分别为：剩余极化强度2Pr=0.04μC·cm^–2，矫顽电场2Ec=12.6kv·cm^–1，饱和极化强度Ps=0.282μC·cm^–2，其粉体的晶胞参数为：β=91.46(3)°。

该水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的制备方法，其步骤如下：

a、按三氧化二钕与D-酒石酸的摩尔比为1:1～4的比例，将三氧化二钕和D-酒石酸溶于体积百分浓度为10～15%的乙醇溶液中，所述三氧化二钕与乙醇溶液的摩尔体积比为1mmol:35～40mL，搅拌至完全溶解，再按三氧化二钕与硫酸的摩尔比为1:0.8～1.2的比例，滴加硫酸溶液，然后置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，搅拌均匀后密封不锈钢反应釜，在120～200°C温度范围内下恒温反应1～10天；

b、反应完毕后，让不锈钢反应釜以1～5°C/h降温方式冷却至室温，得到淡紫色的水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体，对水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体进行研磨，用100目筛筛选，得到通过100目筛的淡紫色的水合D-酒石酸硫酸钕单斜晶系粉体。

与现有技术相比，本发明的优点在于水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料，其分子式为[Nd₂(H₂O)₂(D-C₄H₄O₆)₂(SO₄)]·4H₂O，该铁电功能材料为纯度不低于99%的单斜晶系粉体，为C₂极性点群结构，其铁电特征参数分别为：剩余极化强度2Pr=0.04μC·cm^–2，矫顽电场2Ec=12.6kv·cm^–1，饱和极化强度Ps=0.282μC·cm^–2，其粉体的晶胞参数为：β=91.46(3)°；该铁电功能材料饱和极化强度是罗息盐的1.13倍，是铁电特性能优异的新的铁电体。该铁电功能材料的制方法用乙醇溶剂进行三氧化二钕与D-酒石酸的溶剂热反应，再加硫酸溶液在反应釜中进行成核与生长为水合D-酒石酸硫酸钕，具有流程少，工艺简单，对设备要求低，无污染，成本低，易于产业化的优点。

附图说明

图1为水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的分子结构图；

图2为水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的PXRD图谱与单晶模拟PXRD图谱的对比图；

图3为水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的TG–DTA曲线图；

图4为水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的电滞回线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

称取0.5mmol三氧化二钕和2.0mmolD-酒石酸，溶于由16mL去离子水与2mL乙醇配制的溶剂中，搅拌约30min三氧化二钕和D-酒石酸完全溶解；再滴加浓度为1M的硫酸溶液0.5mL，然后置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，搅拌均匀后密封不锈钢反应釜，在150°C温度范围内下恒温反应3天；反应完毕后，让不锈钢反应釜以1～5°C/h降温方式冷却至室温，得到淡紫色的水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体，对水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体进行研磨，用100目筛筛选，得到通过100目筛的淡紫色的水合D-酒石酸硫酸钕单斜晶系粉体。该铁电功能材料的PXRD图谱如图2所示，可以看出该铁电功能材料纯相高，纯度不低于99%。该铁电功能材料的TG–DTA曲线图如图3所示，说明热稳定性好。该铁电功能材料的电滞回线图如图4所示，饱和极化强度Ps=0.282μC·cm^–2，说明具有较显著的铁电功能特性。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的只是D-酒石酸为0.5mmol，溶于由17mL去离子水与3mL乙醇配制的溶剂中，硫酸溶液0.6mL，不锈钢反应釜反应温度为120°C，恒温反应时间为10天。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的只是D-酒石酸为1.0mmol，硫酸溶液0.4mL，不锈钢反应釜反应温度为200°C，恒温反应时间为1天。

采用Rigaku R–Axis Rapid单晶衍射仪对上述实施例得到的晶体进行单晶X-射线衍射，得到如图1所示水合D-酒石酸硫酸钕的结构图。

采用Bruker D8Focus粉末衍射仪2θ角度范围为5–50°，以8°/min的扫描速度对上述实施例得到的水合D-酒石酸硫酸钕铁电粉体进行扫描，在室温下收集样品的粉末衍射图谱(PXRD)，并与单晶模拟PXRD图对比，如图2所示。

采用Seiko TG/DTA6300型微分热分析仪，以α–Al₂O₃为参比物，在200mL/min的N₂气流保护，升温速率为10°C/min的条件下测定图3所示的晶体的TG–DTA曲线。

电滞回线图采用美国立顿公司铁电材料测试系统Premier II测试。即样品粉末压片，双面涂银胶，自然晾干，然后测量电滞回线并得到铁电性能参数，得到如图4所示的电滞回线图，从图4中可以看出其铁电性能特征参数分别为：2Pr=0.04μC·cm^–2，2Ec=12.6kv·cm^–1，Ps=0.282μC·cm^–2。且饱和极化率值是罗息盐值0.25μC·cm^–2的1.13倍，说明具有优异的铁电特性。

Claims (2)

1.水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料，其特征在于分子式为[Nd₂(H₂O)₂(D-C₄H₄O₆)₂(SO₄)]·4H₂O，该铁电功能材料为纯度不低于99%的单斜晶系粉体，为C₂极性点群结构，其铁电特征参数分别为：剩余极化强度2Pr=0.04μC·cm^–2，矫顽电场2Ec=12.6kv·cm^–1，饱和极化强度Ps=0.282μC·cm^–2，其粉体的晶胞参数为：β=91.46(3)°。

2.权利要求1所述的水合D-酒石酸硫酸钕铁电功能材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

a、按三氧化二钕与D-酒石酸的摩尔比为1:1～4的比例，将三氧化二钕和D-酒石酸溶于体积百分浓度为10～15%的乙醇溶液中，所述三氧化二钕与乙醇溶液的摩尔体积比为1mmol:35～40mL，搅拌至完全溶解，再按三氧化二钕与硫酸的摩尔比为1:0.8～1.2的比例，滴加硫酸溶液，然后置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，搅拌均匀后密封不锈钢反应釜，在120～200°C温度范围内下恒温反应1～10天；

b、反应完毕后，让不锈钢反应釜以1～5°C/h降温方式冷却至室温，得到水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体，对水合D-酒石酸硫酸钕片状晶体进行研磨，用100目筛筛选，得到通过100目筛的淡紫色的水合D-酒石酸硫酸钕单斜晶系粉体。