DE202022104746U1

DE202022104746U1 - Ein System zur Synthese von Bismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase

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Publication number: DE202022104746U1
Application number: DE202022104746.4U
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Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2032-08-23

Abstract

System (100) zur Synthese von Wismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase, wobei das System (100) Folgendes umfasst:
einen Behälter (102) zum Lösen stöchiometrischer Mengen von Wismutnitrat-Pentahydrat und Eisen-Nitrat-Nonahydrat in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur, wobei eine Zitronensäure und ein Chelatbildner zu der Metallnitratlösung in einem Molverhältnis von 2:1 von Zitronensäure zu dem Metallkation zugegeben werden, um eine gelbe Flüssigkeit zu erhalten;
einen mit dem Behälter (102) verbundenen Tropfer (104) zur tropfenweisen Zugabe von verdünnter Salpetersäure zu der erhaltenen gelben Flüssigkeit unter ständigem Rühren, um eine homogene Lösung mit einem Magnetrührer (106) zu erhalten;
eine mit dem Behälter (102) verbundene Trocknungskammer (108) zum Trocknen der erhaltenen Gelablagerung bei 120-150°C für etwa 5-7 Stunden, um einen flauschigen Rückstand zu erhalten;
eine mit der Trockenkammer (106) verbundene Mahlkammer (110) zum Mahlen des Rückstands zu einem feinen Pulver;
eine mit der Mahlkammer (110) verbundene Glühkammer (112) zum Kalzinieren des feinen Pulvers bei einer optimierten Temperatur, um polykristalline Proben zu erhalten; und
eine hydraulische Presskammer (114) zur Pelletierung des nach der Kalzinierung erhaltenen kalzinierten Pulvers, um die Pelletproben zu bilden, wobei die Pelletproben durch die Glühkammer (112) bei kontrollierten Temperaturen für etwa 1-3 Stunden gesintert werden, um die reine Phase der Wismutferritkeramik zu erhalten.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der nachhaltigen Systeme zur Synthese von Materialien. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zur Synthese von Wismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase unter Verwendung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In jüngster Zeit haben multiferroische Materialien, die mehrere ferroische Ordnungen gleichzeitig aufweisen, weite Verbreitung in der Spintronik, der Informationsspeicherung, der Sensorik, der Aktorik und der Photovoltaik gefunden. Unter den verschiedenen multiferroischen Materialien hat Bismutferrit, BiFeO3 (BFO), ein ausgeprägtes multiferroisches Material, einen Aufschwung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft rund um den Globus erlebt und eignet sich für verschiedene Geräteanwendungen, insbesondere für Speicher und Fotovoltaik.
Obwohl seit 1956 viel über BFO geforscht wurde, behindert die Schwierigkeit, die reine Phase dieser Verbindung zu synthetisieren, immer noch ihr Potenzial für praktische Anwendungen. Die Synthese der reinen BFO-Phase ist aufgrund der flüchtigen Natur von Wismut und der Kinetik der Phasenbildung schwierig.
Das rhomboedrisch verzerrte Perowskit (ABO₃) mit BFO-Struktur und der Raumgruppe R3c weist hohe antiferromagnetische Neel- (T_N - 370°C) und Curie-Temperaturen (Tc ~ 830°C) auf. Der antiferromagnetische Charakter von BFO entsteht durch teilweise gefüllte d-Orbitale von Fe³⁺ an der B-Stelle, und die ferroelektrische Ordnung entsteht durch das Vorhandensein des einsamen Elektronenpaars 6S2 von Bi³⁺-Ionen an der A-Stelle des Kristallgitters. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie der großen Restpolarisation (90µC/cm²) und der im Vergleich zu anderen Ferroelektrika auf Oxidbasis relativ geringen Bandlücke (2.08 - 2.7 eV), gilt BFO als eines der aufstrebenden Materialien für Speicher- und Photovoltaikgeräte. Dieses Material zeigt auch einen auf der Masse basierenden und schaltbaren photovoltaischen Effekt aufgrund des polarisationsbasierten Ladungstransportmechanismus. Es besteht daher die Möglichkeit, diese inhärente Eigenschaft von BFO für eine höhere photovoltaische Effizienz zu nutzen, wenn die Kurzschlussstromdichte erhöht werden kann.
Trotz dieser faszinierenden physikalischen Eigenschaften besitzt BFO einige Einschränkungen wie eine hohe Leckstromdichte und eine komplexe Phasenbildung. Diese Faktoren schränken seine Anwendbarkeit für kommerzielle Geräteanwendungen ein. Außerdem wurde das BFO-Material aufgrund dieser schwierigen Phasenbildung noch nicht für eine Geräteanwendung kommerzialisiert.
Bisher wurden verschiedene Synthesetechniken zur Herstellung von BFO in reiner Phase angewandt, darunter die Festkörperreaktion, die Flüssigphasensinterung, die Citratvorstufe, hydrothermale und Sol-Gel-Verfahren. Die meisten dieser Synthesewege erfordern hohe Glühtemperaturen (in der Regel mehr als 650 °C), so dass neben der reinen BFO-Phase auch einige unerwünschte Sekundärphasen entstehen. Mehrere Forschungsgruppen haben eine übermäßige Menge an Wismut (zwischen 3 und 10 Mol-%) verwendet, um die Bildung unerwünschter Phasen aufgrund der Flüchtigkeit von Wismut zu verhindern.
Einige andere Forschergruppen haben BFO in reiner Phase synthetisiert, indem sie fortgeschrittene Techniken oder eine Nachlaugungsbehandlung angewandt haben. Die meisten dieser Methoden haben (i) zur Bildung von Sekundärphasen geführt, (ii) einen zu hohen Wismutgehalt verwendet oder (iii) eine Salpetersäurebehandlung nach dem Glühen zur Reinigung eingesetzt.
CN102953116B offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines BiFeO₃-Einkristalls in reiner Phase im Zentimeterbereich durch Mischen von Fe₂O₃ und Bi₂O₃, Einbringen der Mischung in einen Kristallzüchtungsofen und Erhitzen des Kristallzüchtungsofens auf 825-850 DEG C.
Um die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, muss daher ein System für die Synthese von BFO-Material in reiner Phase unter Verwendung eines Citratvorläufers bei niedrigeren Temperaturen entwickelt werden, indem die Glühbedingungen optimiert werden.
Die durch die vorliegende Erfindung offenbarten technischen Fortschritte überwinden die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zur Synthese von Wismutferritkeramik in reiner Phase.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zur Synthese von Wismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase zu entwickeln,

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Zubereitungskosten zu senken,
Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer einfachen Synthesetechnik,
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Glühtemperatur zu optimieren,
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Optimierung der Glühdauer unter Verwendung der Citratvorläufersynthesemethode, und
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Untersuchung der Auswirkungen der Glühtemperatur (von 500°C bis 600°C) und der Glühdauer (von 2h bis 6h) auf die strukturellen, morphologischen, optischen und ferroelektrischen Eigenschaften von BFO-Keramikproben.

In einer Ausführungsform ein System zur Synthese von Wismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase, wobei das System Folgendes umfasst:

einen Behälter zum Auflösen stöchiometrischer Mengen von Wismutnitrat-Pentahydrat und Eisen-Nitrat-Nonahydrat in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur, wobei eine Zitronensäure als Chelatbildner zu der Metallnitratlösung in einem Molverhältnis von 2:1 von Zitronensäure zu einem Metallkation zugegeben wird, um eine gelbe Flüssigkeit zu erhalten;
einen mit dem Behälter verbundenen Tropfer zur tropfenweisen Zugabe von verdünnter Salpetersäure unter ständigem Rühren, um eine homogene Lösung zu erhalten, wobei die homogene Lösung zur Bildung eines Gels erhitzt wird;
eine Trocknungskammer, die mit einer Magnetkammer verbunden ist, um die erhaltene Gelschicht bei 120-150°C für etwa 5-7 Stunden zu trocknen, um einen flauschigen Rückstand zu erhalten;
eine Mahlkammer mit Stößel und Mörser zum Zermahlen des Rückstands zu einem feinen Pulver;
eine Glühkammer zum Glühen des feinen Pulvers bei einer optimierten Temperatur, um polykristalline Proben zu erhalten; und
eine hydraulische Presskammer zur Pelletierung des nach der Kalzinierung erhaltenen kalzinierten Pulvers, um die Pelletproben zu bilden, wobei die Pelletproben in der Glühkammer bei kontrollierten Temperaturen etwa 1 bis 3 Stunden lang gesintert werden, um die reine Phase der Wismutferritkeramik zu erhalten.

In einer Ausführungsform ist der Magnetrührer mit Heizelement mit dem Behälter verbunden, um die homogene Lösung unter kräftigem Rühren auf 100-150°C zu erwärmen, um die Gelschicht zu erhalten.
In einer Ausführungsform ist die Mahlkammer ein Mörser und Stößel zur Herstellung von feinem Pulver.
In einer Ausführungsform liegt die optimierte Temperatur im Bereich von 300-600°C und insbesondere bei 400°C.
In einer Ausführungsform liegt die kontrollierte Temperatur im Bereich von 500-600°C und insbesondere bei 550°C.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind, gegeben. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung anzusehen sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Details mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Synthese von reinphasigen Wismutferritkeramiken,
2a und 2b zeigen eine grafische Darstellung des XRD-Musters von (a) BFO, kalziniert bei (I) 350°C, (II) 400°C, (III) 450°C, (b) BFO, kalziniert bei 400°C und geglüht bei (I) 500°C, (II) 550°C, (III) 600°C,
3a und 3b zeigen eine grafische Darstellung des XRD-Musters von a) BFO, das bei 5500C für (I) 2h, (II) 4h, (III) 6h geglüht wurde, und b) Rietveld-verfeinerte Daten der optimierten Probe, die bei 550°C für 2h geglüht wurde,
4a und 4b zeigen eine grafische Darstellung (a) der Variation der Kristallitgröße von BFO-Proben als Funktion der Glühtemperatur und (b) der Variation der Kristallitgröße von BFO-Proben als Funktion der Glühzeit,
5 zeigt eine grafische Darstellung des FTIR-Spektrums der bei 550°C/2h geglühten BFO-Probe,
6a und 6b zeigen eine grafische Darstellung von (a) Absorptionsspektren von BFO-Proben, die 2 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurden, und (b) Tauc-Plots von BFO-Proben, die 2 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurden,
7a-7c zeigen eine grafische Darstellung von (a) Absorptionsspektren von BFO-Proben, die 4 und 6 Stunden lang bei 550 °C geglüht wurden; Tauc-Diagramme von BFO-Proben, die (b) 4 und (c) 6 Stunden lang bei 550°C geglüht wurden, und
8 zeigt eine grafische Darstellung der PE-Hystereseschleife von BFO-Proben, die bei 550°C/2h geglüht wurden.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur diejenigen spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für den Fachmann mit den Kenntnissen der vorliegenden Beschreibung leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zum besseren Verständnis der Grundsätze der Erfindung wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Erfindungsprinzipien in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst ... a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems (100) zur Synthese von Wismutferritkeramik in reiner Phase, wobei das System (100) einen Behälter (102), einen Tropfer (104), eine Trockenkammer (106), einen Magnetrührer (108), eine Mahlkammer (110), eine Glühkammer (112) und eine hydraulische Presskammer (114) umfasst.
Behälter (102) zum Auflösen stöchiometrischer Mengen von Wismutnitrat-Pentahydrat und Eisen-Nitrat-Nonahydrat in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur, wobei der Metallnitratlösung eine Zitronensäure als Chelatbildner in einem molaren Verhältnis von 2:1 von Zitronensäure zu einem Metallkation zugesetzt wird, um eine gelbe Flüssigkeit zu erhalten.
Der Tropfer (104) ist mit dem Behälter (102) verbunden, um verdünnte Salpetersäure unter ständigem Rühren tropfenweise zu der erhaltenen gelben Flüssigkeit hinzuzufügen, um eine homogene Lösung zu erhalten, wobei die homogene Lösung erhitzt wird, um ein Gel zu bilden.
Der Magnetrührer (106), der ein Heizelement enthält, ist mit dem Behälter (102) verbunden, um kräftig zu rühren, damit eine homogene Lösung bei 60-100°C entsteht. Die Trocknungskammer (106) ist mit dem Behälter verbunden, der die homogene Lösung zum Trocknen und zur Bildung von Gelablagerungen bei 120-150°C für etwa 5-7 Stunden enthält, um einen flauschigen Rückstand zu erhalten. Die Trocknungskammer bildet eine Heizplatte.
Die Mahlkammer (110) ist mit der Trockenkammer (106) verbunden, um den Rückstand zu einem feinen Pulver zu mahlen. Die Mahlkammer (110) ist ein Mörser und Stößel zur Gewinnung des feinen Pulvers.
Die Glühkammer (112) stellt einen Kastenofen dar und ist mit der Mahlkammer (110) verbunden, um das feine Pulver bei einer optimierten Temperatur zu kalzinieren und polykristalline Proben zu erhalten.
Die optimale Temperatur liegt zwischen 300 und 600°C, genauer gesagt, bei 400°C.
Die hydraulische Presskammer (114) führt eine Pelletisierung des nach der Kalzinierung erhaltenen kalzinierten Pulvers durch, insbesondere bei 400°C, um die Pelletproben zu bilden, wobei die Pelletproben durch die Glühkammer (112) bei kontrollierten Temperaturen für etwa 1-3 Stunden gesintert werden, um die reine Phase der Wismutferritkeramik zu erhalten. Die kontrollierte Temperatur liegt im Bereich von 500-600°C, genauer gesagt bei 550°C.
2a und 2b zeigen eine grafische Darstellung des XRD-Musters von (a) BFO, kalziniert bei (I) 350°C, (II) 400°C, (III) 450°C, (b) BFO, kalziniert bei 400°C und geglüht bei (I) 500°C, (II) 550oC, (III) 600°C.
Die XRD-Analysen bestätigen die Phasenbildung und die Kristallstruktur aller geglühten Proben bei unterschiedlichen Temperaturen und Dauern. Die XRD-Muster der bei unterschiedlichen Temperaturen kalzinierten BFO-Keramiken sind in dargestellt. In den XRD-Mustern der bei niedrigeren Temperaturen (350°C, 400°C und 450°C) kalzinierten Proben sind nur wenige Bragg-Peaks vorhanden, was auf den schwachen kristallinen Zustand dieser Proben und das Vorhandensein mehrerer sekundärer Phasen hinweist. Die so hergestellten Proben werden bei höheren Temperaturen (500°C, 550°C und 600°C) geglüht, um ihre Phasenbildung und Kristallinität zu verbessern. Die XRD-Peaks dieser Proben wiesen darauf hin, dass sich die Kristallinität und die Phasenreinheit der Proben mit steigender Glühtemperatur drastisch verbesserten. Das XRD-Muster der bei 550 °C geglühten Probe bestätigt außerdem die Phasenbildung von BFO mit einer vernachlässigbaren Spur von Verunreinigungsphasen. Die bei 500°C und 600°C geglühten Proben wiesen im XRD-Muster jedoch einige sekundäre Bi₂Fe₄O₉-Peaks auf, was auf die Kinetik der Phasenbildung und die flüchtige Natur des Bismuts in der BFO-Verbindung zurückzuführen ist.
3a und 3b zeigen eine grafische Darstellung des XRD-Musters von a) BFO, das bei 550oC für (I) 2h, (II) 4h, (III) 6h geglüht wurde, und b) Rietveld-verfeinerte Daten der optimierten Probe, die bei 550°C für 2h geglüht wurde.
Die XRD-Muster zeigen die polykristalline Natur der BFO-Keramikproben, die bei 550 °C für verschiedene Zeiträume geglüht wurden. Diesen Mustern zufolge ist die rhomboedrisch verzerrte Perowskit-BFO-Struktur in allen Proben erhalten. Es gibt jedoch einige sekundäre Peaks in diesen Mustern, die der Bi2Fe4O9-Phase entsprechen. Andererseits haben die XRD-Peakintensitäten der primären BFO-Phase mit der Glühdauer geringfügig zugenommen. Darüber hinaus nahm der Gehalt an Verunreinigungsphasen bei den länger geglühten Proben (d. h. 4 und 6 Stunden) ebenfalls zu. Diese sekundären Phasenpeaks könnten auf die Bildung zusätzlicher Sauerstoffionenmängel, unterschiedliche Oxidationszustände der in diesen Keramikproben vorhandenen Fe-Ionen und die Verflüchtigung von Wismut zurückzuführen sein, die durch die längere Glühdauer der Proben entstanden. Bemerkenswert ist auch, dass die bei 550 °C für 2 Stunden geglühte Probe eine einzige Perowskit-Phase von BFO ergab, wie in dargestellt. Daher wurde die Rietveld-Verfeinerungsanalyse für diese Probe mit der Full-Proof-Suit-Software-Methode durchgeführt, und die angepassten Daten sind in dargestellt. Die erhaltenen Daten passten gut und bestätigten die Bildung einer einzelnen BFO-Phase mit rhomboedrisch verzerrter Perowskitstruktur.
4a und 4b zeigen eine grafische Darstellung (a) der Variation der Kristallitgröße von BFO-Proben als Funktion der Glühtemperatur und (b) der Variation der Kristallitgröße von BFO-Proben als Funktion der Glühzeit.
Um die Kristallitgröße mit der Glühtemperatur und der Glühdauer zu korrelieren, wird die durchschnittliche Kristallitgröße anhand der Peakbreite beim halben Maximum aller Proben unter Verwendung der Debye-Scherrer-Beziehung bestimmt. Bei all diesen Keramikproben lag die durchschnittliche Kristallitgröße im Bereich von 33 bis 57 nm. Interessanterweise wird die Kristallitgröße der BFO-Keramik, wie in den gezeigt, in Abhängigkeit von den Glühbedingungen eingestellt. Tabelle 1: Atomarer Anteil der Bestandteile der BFO-Probe in reiner Phase

Element Bi Fe O

Atomarer Anteil 19.56 23.02 57.42
5 zeigt eine grafische Darstellung des FTIR-Spektrums der bei 550°C/2h geglühten BFO-Probe.
Die FTIR-Spektralanalyse ist ein wichtiges Instrument zur Charakterisierung, das durch die Identifizierung der in der Probe vorhandenen chemischen Bindungen qualitative und quantitative Informationen liefert. Das Diagramm zeigt die FTIR-Spektren, die für die bei 550 °C für 2 Stunden geglühte BFO-Probe in reiner Phase im Wellenlängenbereich von 2000 - 400 cm-¹ erhalten wurden. Es wurden einige starke Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich von 400 - 600 cm-¹ festgestellt, was die Perowskitstruktur der BFO-Keramik bestätigt. Darüber hinaus sind die Absorptionsbanden bei 1634 cm-¹ und 1402 cm-¹ den eingeschlossenen Wassermolekülen und Nitraten in der vorbereiteten Probe zuzuschreiben.
6a und 6b zeigen eine grafische Darstellung von (a) Absorptionsspektren von BFO-Proben, die 2 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurden, und (b) Tauc-Plots von BFO-Proben, die 2 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht wurden.
6a zeigt die Absorptionsspektren der Keramikproben, die bei verschiedenen Temperaturen (500°C, 550°C, 600°C) geglüht wurden. Interessanterweise zeigte die bei 600°C geglühte Probe eine stärkere Absorptionsbande bei höheren Wellenlängen (d.h. über 600 nm). Dieses erhöhte Absorptionsfenster könnte auf die Bildung der sekundären Bi₂Fe₄O₉-Phase in diesen Proben zurückzuführen sein.
Um die optische Bandlücke dieser Proben mit dem Wärmebehandlungsprozess zu korrelieren, wird die Bandlücke mit der Tauc-Methode bestimmt. Das auf der Grundlage der Absorptionsspektren all dieser Proben erhaltene Tauc-Diagramm ist in dargestellt. Im Allgemeinen könnte die Änderung der optischen Bandlücke mit der Glühtemperatur auf die Größe der Kristallite und die Anzahl der im Kristallgitter vorhandenen Sauerstoffionenlücken zurückgeführt werden. In der Regel wird die Bandlücke mit zunehmender Glühtemperatur schmaler.
Die Ergebnisse zeigten jedoch ein nicht monotones Verhalten. Die Proben, die 2 Stunden lang bei 500°C und 600°C geglüht wurden, wiesen eine relativ geringere Bandlücke auf als die Proben, die 2 Stunden lang bei 550°C geglüht wurden. Anfänglich stieg die Bandlücke bei den bei 500°C und 550°C geglühten Proben von 2.02 auf 2.08 eV und sank dann von 2.08 auf 2.04 eV, wenn die Probe bei 600°C geglüht wurde. Interessanterweise sind die sekundären Phasen in den Proben mit niedrigerer Bandlücke (d. h. in den bei 500°C und 600°C geglühten Proben) dominanter als in der bei 550°C geglühten Probe. Daher wird dieses ungewöhnliche Verhalten auf das Vorhandensein der sekundären Phase Bi₂Fe₄O₉ in diesen Proben zurückgeführt.
7a-7c zeigen eine grafische Darstellung von (a) Absorptionsspektren von BFO-Proben, die 4 und 6 Stunden lang bei 550°C geglüht wurden; Tauc-Plots von BFO-Proben, die (b) 4 und (c) 6 Stunden lang bei 550°C geglüht wurden.
Ein ähnliches Muster ist bei den Proben zu beobachten, die bei 550 °C für unterschiedliche Zeiträume geglüht wurden. Die bei 550 °C für 4 und 6 Stunden geglühten Proben mit dem höheren Gehalt an Bi₂Fe₄O₉-Verunreinigungen weisen eine geringere Bandlücke auf als die bei 550 °C für 2 Stunden geglühten BFO-Proben mit reiner Phase. Die Bandlückenwerte der bei 550°C für 4h und 6h geglühten Proben liegen bei 2.04 eV bzw. 2.02 eV. Diese Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass das Vorhandensein der sekundären Bi₂Fe₄O₉-Phase zur Erweiterung des optischen Absorptionsfensters der BFO-Keramik beiträgt; gleichzeitig kann die sekundäre Phase jedoch auch die anderen physikalischen Eigenschaften von BFO verschlechtern.
8 zeigt eine grafische Darstellung der PE-Hystereseschleife von BFO-Proben, die bei 550°C/2h geglüht wurden.
Die Werte für die Restpolarisation (Pr) und das Koerzitivfeld (Ec) betragen 8.5 µC/cm² bzw. 3.9 kV/cm. Diese Probe wies eine ungesättigte PE-Schleife auf, die auf das Vorhandensein von Sauerstofflöchern zurückzuführen war, die zu einem großen Leckstrom führten. Das Ausmaß der Restpolarisation scheint jedoch höher zu sein als bei den BFO-Keramiken, die mit anderen Synthesewegen hergestellt wurden. Dies könnte hauptsächlich auf die Bildung einer reinen BFO-Phase bei einer relativ niedrigen Temperatur zurückzuführen sein, die durch die Citratvorläufermethode synthetisiert wurde. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die Herstellungstechnik eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des BFO-Materials für eine bessere Leistung der Geräte spielt.
Die BFO-Keramikproben wurden erfolgreich mit einer einfachen und modifizierten Sol-Gel-Methode (Zitratvorläufertechnik) bei der niedrigsten bekannten Temperatur (550 °C) hergestellt, wobei ein kostengünstiger und umweltfreundlicher Ansatz gewählt wurde. Die thermischen Glühparameter (d.h. die Glühtemperatur und die Glühdauer) veränderten die strukturellen, morphologischen und optischen Eigenschaften der BFO-Keramiken. Die XRD-Muster bestätigten die Perowskitstruktur von BFO mit der Raumgruppe R3c dieser Proben. Die durchschnittliche Kristallitgröße nahm mit einer Erhöhung der Glühtemperatur und -dauer für die Proben zu. Das Vorhandensein der sekundären Bi₂Fe₄O₉-Phase hat sich als vorteilhaft für die Verbesserung der optischen Eigenschaften von BFO erwiesen, kann jedoch die elektrischen Eigenschaften aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit verschlechtern. Die reine BFO-Phase ergab verbesserte ferroelektrische Eigenschaften mit einer Restpolarisation von 8.5 µC/cm². Die erzielten Ergebnisse stellen einen attraktiven Ansatz für die Synthese von einphasigen BFO-Keramiken und die Anpassung ihrer physikalischen Eigenschaften durch thermische Behandlung dar, was ein vielversprechendes Instrument zur Verbesserung der Leistung von Speicher- und Photovoltaikgeräten sein könnte.
Die Zeichnungen und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können diejenigen Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Der Nutzen, die Vorteile, die Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder eine Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Ein System zur Synthese von Reinphasen-Bismut-Ferrit-Keramik
102: Behälter
104: Tropfenzähler
106: Trockenkammer
108: Magnetrührer
110: Mahlkammer
112: Glühkammer
114: Kammer für hydraulische Pressen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 102953116 B [0008]

Claims

System (100) zur Synthese von Wismut-Ferrit-Keramik in reiner Phase, wobei das System (100) Folgendes umfasst: einen Behälter (102) zum Lösen stöchiometrischer Mengen von Wismutnitrat-Pentahydrat und Eisen-Nitrat-Nonahydrat in destilliertem Wasser bei Raumtemperatur, wobei eine Zitronensäure und ein Chelatbildner zu der Metallnitratlösung in einem Molverhältnis von 2:1 von Zitronensäure zu dem Metallkation zugegeben werden, um eine gelbe Flüssigkeit zu erhalten; einen mit dem Behälter (102) verbundenen Tropfer (104) zur tropfenweisen Zugabe von verdünnter Salpetersäure zu der erhaltenen gelben Flüssigkeit unter ständigem Rühren, um eine homogene Lösung mit einem Magnetrührer (106) zu erhalten; eine mit dem Behälter (102) verbundene Trocknungskammer (108) zum Trocknen der erhaltenen Gelablagerung bei 120-150°C für etwa 5-7 Stunden, um einen flauschigen Rückstand zu erhalten; eine mit der Trockenkammer (106) verbundene Mahlkammer (110) zum Mahlen des Rückstands zu einem feinen Pulver; eine mit der Mahlkammer (110) verbundene Glühkammer (112) zum Kalzinieren des feinen Pulvers bei einer optimierten Temperatur, um polykristalline Proben zu erhalten; und eine hydraulische Presskammer (114) zur Pelletierung des nach der Kalzinierung erhaltenen kalzinierten Pulvers, um die Pelletproben zu bilden, wobei die Pelletproben durch die Glühkammer (112) bei kontrollierten Temperaturen für etwa 1-3 Stunden gesintert werden, um die reine Phase der Wismutferritkeramik zu erhalten.
System nach Anspruch 1, wobei der Magnetrührer (108), der ein Heizelement umfasst, mit dem Behälter (102) verbunden ist, um die homogene Lösung unter kräftigem Rühren auf 60-100 °C zu erhitzen, um die Gelablagerung zu erhalten.
System nach Anspruch 1, wobei die Mahlkammer (110) ein Mörser und Stößel zur Gewinnung von feinem Pulver ist.
System nach Anspruch 1, wobei die optimierte Temperatur im Bereich von 300-600°C und insbesondere bei 400°C liegt.
System nach Anspruch 1, wobei die kontrollierte Temperatur im Bereich von 500-600°C und insbesondere bei 550°C liegt.