Pembuatan dan Kinerja Dielektrik Bubuk PbTiO3 Berbentuk Bola dan Batang melalui Sintesis Garam Leleh
Abstrak
Dengan bereaksi PbC₂O₄ dan TiO₂ dalam eutetik NaCl-KCl, kami berhasil mempersiapkan bubuk PbTiO₃ (PTO) berbentuk bola dan batang menggunakan sintesis garam leleh (MSS) dan template MSS, masing-masing. Difraksi sinar X mengonfirmasi fase tetragonal murni untuk semua sampel. Mengubah rasio molar PbC₂O₄:TiO₂:NaCl:KCl dari 1:1:10:10 hingga 1:1:60:60 memiliki dampak yang dapat diabaikan pada morfologi bola ketika disintesis pada 950 °C selama 5 jam. Sebaliknya, PTO berbentuk batang (diameter 480 nm–1,50 µm, panjang hingga 10 µm) dicapai pada 800 °C selama 5 jam menggunakan template anatase TiO₂ berbentuk batang dan rasio molar 1:1:60:60. Spektroskopi dispersif energi menunjukkan rasio Pb:Ti stoikiometri ~1:1. Kandungan garam leleh sangat mempengaruhi pembentukan batang: garam yang tidak cukup mencegah sintesis batang, sementara waktu reaksi yang lebih panjang mendukung partikel bola. Pengukuran dielektrik pada suhu ruangan menunjukkan bahwa bubuk PTO berbentuk bola menunjukkan konstanta dielektrik tinggi (~340 pada 10⁶ Hz) dengan kerendahan rendah (tan δ ≈ 0,06), outperforming bubuk berbentuk batang (εᵣ ≈ 140, tan δ ≈ 0,08). Temuan ini memposisikan bubuk PTO berbentuk bola sebagai calon yang menjanjikan untuk kapasitor multilayer dan resonan.
Pendahuluan
Oksida perovskit (ABO₃) adalah materi dasar untuk aplikasi ferroelektrik, magnetik, dan optoelektronik. PbTiO₃ (PTO) unggul dengan distorsi tetragonal terbesar (c/a ≈ 1,064) dan polarisasi spontan tertinggi di antara ferroelektrik perovskit, menghasilkan perilaku dielektrik, piezoelektrik, dan piroelektrik yang excelente. Jalur konvensional keramik PTO padat tinggi menderita pertumbuhan butir, kerusakan mikro, dan ketidakstabilan komposisi, mendorong eksplorasi strategi sintesis alternatif. Sintesis garam leleh (MSS) menawarkan jalur rendah suhu dan waktu pendek ke fase perovskit murni dengan melarutkan reaktan dalam medium klorida leleh, memfasilitasi transport ion dan nukleasi. Studi MSS sebelumnya telah menghasilkan nanopartikel PTO berbentuk bola, namun produksi struktur nano satu dimensi (1D) tetap terbatas karena kecenderungan pertumbuhan isotropis jaringan perovskit. Pendekatan template MSS terbaru telah menunjukkan janji dalam mengarahkan pertumbuhan anisotropis, namun karakterisasi dielektrik komprehensif dari morfologi yang dihasilkan masih kurang. Di sini, kami melaporkan sintesis terkontrol bubuk PTO berbentuk bola dan batang melalui MSS dan template MSS, masing-masing, dan mengevaluasi secara sistematis kinerja dielektriknya.
Bahan dan Metode
Bahan
PbC₂O₄ dan TiO₂ (campuran anatase/rutile) grade analitik diperoleh dari Sigma-Aldrich. NaCl, KCl, K₂CO₃, AgNO₃, dan HCl diperoleh dari Shanghai Chemical Reagent Co., Ltd.
PTO Berbentuk Bola dengan MSS
Campuran PbC₂O₄, TiO₂, NaCl, dan KCl digiling selama 30 menit, kemudian dicalcine pada 950 °C selama 5 jam dalam krui alumina. Perawatan panas pasca melibatkan pencucian air hingga ion klorida tidak terdeteksi (uji AgNO₃) diikuti dengan pengeringan pada 120 °C selama 4 jam.
PTO Berbentuk Batang dengan Template MSS
Template anatase TiO₂ berbentuk batang diproduksi dengan mengonversi K₂Ti₄O₉ (disiapkan dari K₂CO₃ dan TiO₂) dengan pelarutan HCl dan anealing pada 800 °C. Template ini dicampur dengan PbC₂O₄ dan NaCl-KCl (1:1:20:20 atau 1:1:60:60) dan dipanaskan pada 800 °C selama 1–10 jam. Produk akhir dicuci, dikeringkan, dan disinter pada 1150 °C selama 2 jam untuk memadatkan pellet untuk pengujian dielektrik.
Karakterisasi
Difraksi sinar X (Rigaku D/Max-RA, Cu Kα) menilai kemurnian fase; SEM (Hitachi S-3400 N II, 30 kV) memeriksa morfologi; EDS memverifikasi komposisi. Konstanta dan kerendahan dielektrik diukur pada pellet dilapisi perak (12 mm × 1 mm) menggunakan analyzer impedansi Agilent 4192 A dari 10 Hz hingga 1 MHz.
Hasil dan Pembahasan
PTO Berbentuk Bola: Fase dan Morfologi
Semua pola XRD diindeks ke PTO tetragonal (P4mm) dengan konstanta jaringan a ≈ 0,390 nm, c ≈ 0,408 nm (c/a ≈ 1,045). Morfologi tetap berbentuk bola di seluruh rasio garam (1:1:10:10 hingga 1:1:60:60) setelah perlakuan 950 °C/5 jam. Garam leleh terutama bertindak sebagai medium untuk difusi PbO ke permukaan TiO₂, memungkinkan nukleasi PTO berbentuk bola melalui mekanisme presipitasi larutan.
PTO Berbentuk Batang: Efektivitas Template MSS
Template TiO₂ yang dicalcine pada 800 °C menghasilkan batang anatase murni (diameter 480–570 nm, panjang ~12 µm). Ketika digunakan dalam MSS dengan rasio molar 1:1:60:60 dan 800 °C/5 jam, PTO berbentuk batang terbentuk dengan diameter 480 nm–1,50 µm dan panjang hingga 10 µm. Peningkatan kandungan garam leleh dan waktu reaksi meningkatkan fraksi volume batang hingga ~97%. Kondisi garam rendah atau pemanasan yang panjang (10 jam) mendukung partikel bola, menunjukkan bahwa konsentrasi garam tinggi mempromosikan pertumbuhan anisotropis dengan memungkinkan PbO untuk difusi lambat, memungkinkan re-assembly kristal nano menjadi batang.
Kinerja Dielektrik
PTO berbentuk bola menunjukkan konstanta dielektrik yang bergantung pada frekuensi yang signifikan: nilai tinggi (~3000 pada < 10³ Hz) turun menjadi ~340 pada 10⁶ Hz, dengan kerendahan rendah (tan δ ≈ 0,06). PTO berbentuk batang menunjukkan respons yang lebih datar: εᵣ ≈ 140–150 di seluruh rentang frekuensi yang sama dan tan δ ≈ 0,07–0,08. Properti dielektrik unggul dari bola disebabkan oleh ukuran butir yang lebih besar (~2 µm) dan polarisasi batas butir yang dikurangi. Nilai-nilai ini melebihi yang dilaporkan untuk nanopartikel PTO sol-gel atau hidrotermal, menekankan keuntungan jalur MSS.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa MSS dan template MSS dapat menghasilkan bubuk PbTiO₃ tetragonal murni dengan morfologi yang terkontrol. Bubuk berbentuk bola mempertahankan bentuknya terlepas dari jumlah garam leleh, sedangkan bubuk berbentuk batang memerlukan konsentrasi garam tinggi dan waktu reaksi optimal. Pengukuran dielektrik mengonfirmasi bahwa PTO berbentuk bola menawarkan kinerja terbaik, menjadikannya calon yang kuat untuk aplikasi kapasitor multilayer dan resonan.
