Projekti / Programi
Načrtovanje strukturnih in mikrostrukturnih značilnosti v naprednih dielektrikih in feroelektrikih s perovskitno in perovskitom-podobno kristalno strukturo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
perovskiti, kristalna struktura, nanodelci, tanke plasti, heterostrukture, funkcijske lastnosti
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
V projektu predlagane raziskave feroelektrične in mikrovalovne keramike bodo sledile sedanjim trendom v razvoju elektronske keramike, predvsem njene miniaturizacije, izboljšane učinkovitosti in večnamenskosti. Poudarek bo na raziskovanju sinteze delcev iz raztopin z definirano obliko in njihovega urejanja v tanke filme ali v večplastne hetero-strukture. Kontrolo morfologije delcev BaxSr1-xTiO3 (0£x£1) Na0.5Bi0.5TiO3 in K0.5Bi0.5TiO3 bomo izvajali s pristopi, ki temeljijo na razumevanju procesov rasti delcev. Kontrola rasti kristalov bo temeljila na poznavanju hitrosti hidrolize titanatnih prekurzorjev, modifikaciji energij določenih perovskitnih kristalnih ravnin z absorbcijo ligandov preko koordinacije s kationi, z usmerjanjem orientiranega povezovanja ali z induciranjem topokemijskih transformacij titanatnih prekurzorjev z definirano obliko v perovskite z enako obliko. V nadaljevanju bomo nanodelce z definirano obliko (kocke, trakove ali ploščice) uredili v tankem filmu ali v večplastnih heterostrukturah. Takšne urejene strukture bomo naredili iz enega tipa perovskita ali iz mešanice dveh različnih (npr. BaTiO3/SrTiO3, Na0.5Bi0.5TiO3 / K0.5Bi0.5TiO3, BaTiO3/ Na0.5Bi0.5TiO3, itd.). V primeru uporabe mešanice dveh različnih perovskitov, bo potrebno doseči čim boljše ujemanje vseh uporabljenih perovskitov tako v obliki delcev kot tudi njihove velikosti. Feroelektrične in piezoelektrične lastnosti bomo raziskovali v povezavi z napetostmi, ki nastanejo na med-površinah zaradi razlik v celičnih parametrih med uporabljenimi perovskiti. Mešanje različnih perovskitov z definirano obliko v poljubnem razmerju bo omogočalo uvedbo nešteto različnih med-površin, kar bo po pričakovanju omogočilo načrtovanje dielektričnih, feroelektričnih in piezoelektričnih lastnosti.
V okviru projekta nameravamo tudi raziskati možnosti uporabe nekaterih specifičnih morfologij perovskitnih delcev za izdelavo feroelektrične in piezoelektrične keramike brez Pb, pri čemer nameravamo uporabiti različne inovativne metode sintranja. Materiale z najboljšimi ferolektričnimi in piezoelektričnimi lastnostmi bomo raziskali tudi tako, da bomo analizirali vpliv velikosti zrn in domenske strukture na njihove lastnosti.
Kompleksne perovskite z mikrovalovnimi lastnostmi bomo raziskovali predvsem zato, ker omogočajo izrazit napredek v mniniaturizaciji in zanesljivosti iz njih narejenih elektronskih komponent. V tem sklopu bomo raziskave usmerili v analizo razvoja rasti vmesnih struktur med kubičnim perovskitom Ba(Co1/3Nb2/3)O3 in zamaknjenim heksagonalnim perovskitom Ba5Nb4O15, ki nastajajo kot posledica kationskega primanjkljaja na B-mestih ali kot prehodne faze med sintezo urejenega Ba8CoNb6O24.
Raziskave mikrovalovne keramike na osnovi La2/3TiO3 – LaAlO3 kompleksnih perovskitov bodo usmerjene v sintezo fino-zrnate keramike in tankih filmov: i.) Pri sintezi volumske keramike bo cilj prve faze sinteza nanodelcev z definirano obliko in velikostjo, pri čemer bomo uporabili sintezne metode, ki temeljijo na uporabi ustreznih raztopin. Tako dobljene prahove bomo z različnimi metodami sintranja pripravili goste, finozrnate keramike. Mikrovalovne dielektrične lastnosti tako pripravljenih keramik bomo lahko spreminjali s spreminjanjem začetne sestave, oblike in velikosti izhodnih delcev in končno velikostjo zrn. Pričakujemo, da bomo kot končni rezultat predlaganih raziskav razvili gosto, drobnozrnato keramiko z bistveno izboljšanimi mikrovalovnimi lastnostmi od že znanih. ii.) Za raziskave LaAlO3–La2/3TiO3 tankih filmov pa pričakujemo, da bomo znatno izboljšanje električnih lastnosti lahko dosegli s spreminjanjem razmerja LaAlO3/La2/3TiO3, s kontrolo debeline plasti ter z variacijo strukturnih in nanostrukturnih lastnosti pripravljenih tankih filmov. Le-te bomo nadalje uporabili kot substrate za tvorbo urejenih struktur perovskitnih delcev z definirano obliko, ki jih bomo predhodno pripravili v okviru tega projekta.
Pomen za razvoj znanosti
Z razvojem nanotehnologije in z miniaturizacijo elektronskih naprav postajajo vedno bolj pomembne sintezne metode, ki omogočajo kontrolo morfologije nanokristalitov funkcionalnih materialov (feroelektrikov, feromagnetov, magnetoelektrikov, itd.). Takšni nanokristaliti postajajo z znanstvenega vidika vedno bolj pomembni, ker so njihove fizikalno kemijske lastnosti odvisne od oblike in velikosti in se razlikujejo od lastnosti volumske keramike. Poleg tega je delce z definirano obliko, kot so (nano)kocke in (nano)ploščice, mogoče urediti in tvoriti dvodimenzionalne ali tridimenzionalne strukture, kar predstavlja osnovo za t.i. »bottom up« pristop (od spodaj navzgor) izdelave miniaturnih elektronskih naprav. Z vidika kontroliranja oblike delcev in njihove agregacije, klasična sinteza v trdnem kot tudi sol-gel metoda nista primerni. Prav tako tudi pri večini klasičnih poti pod hidrotermalnimi (solvotermalnimi) pogoji ali v staljeni soli nastanejo agregirani delci z nedefinirano obliko. V okviru raziskav, tega projekta, smo ugotovili, da je s pravo izbiro izhodnih spojin in s kontroliranjem reakcijskega mehanizma mogoče usmerjati sintezo v smer nastanka delcev z definirano obliko, kot so (nano)palčke, (nano)ploščice in (nano)kocke, pri čemer je izredno pomembna izbira izhodnih spojin in razumevanje reakcijskih mehanizmov. Pokazali smo, da je mogoče anizotropne MTiO3 perovskitne delce, kot so nanopalčke ali nanoploščice pripraviti s topotaktično transformacijo delcev ustreznih titanatnih izhodiščnih spojin (t.i. templatnih prekurzorjev). To predstavlja skrbno načrtovano sintezo od izbire in priprave delcev templata na podlagi njihove oblike, strukture, poznavanja elektrokinetičnega potenciala in topnosti delcev v reakcijskem mediju ter ustvarjanju pogojev za epitaksialno rast in pretvorbo v delce načrtovanega perovskita. S temi pristopi je mogoče tudi kontrolirati preferenčno orientacijo, kar je pomembno tako z vidika kontroliranja smeri električne polarizacije in tudi katalitskih lastnosti, saj so slednje zelo odvisne od vrste izpostavljene kristalografske ravnine. Podobno smo tudi pokazali, da je mogoče pripraviti kompozitne delce s kombinacijo dveh perovskitov, pri čemer zaradi mrežnih napetosti pride do povečanja piezoelektričnih lastnosti. Omenjeni pristopi so inovativni, mehanizmi topokemijskih pretvorb in epitaksialnih rasti na delcih v staljeni soli, pod hidrotermalnimi ali solvotermalnimi pogoji do sedaj niso bili dobro raziskani. V okviru tega projekta smo natančno raziskali te mehanizme, kar je izredno pomembno za načrtovanje sintez novih materialov (druge oblike delcev, velikosti, preferenčne orientacije, nove sestave trdnih raztopin) in s tem tudi doseganja novih funkcionalnih lastnosti. Znano je, da imajo delci perovskitov s feroelektričnimi, piezoelektričnimi in katalitskimi lastnostmi velik potencial za uporabo v naprednih elektronskih napravah oziroma na področju katalize. Zato je nedvoumno, da rezultati raziskav, pridobljeni v okviru tega projekta, predstavljajo dobro izhodišče za nadaljnje raziskave in tudi za objavljanje rezultatov v revijah z vedno višjim faktorjem vpliva.
Pomen za razvoj Slovenije
S tem projektom smo prispevali k splošnemu dvigu poznavanja osidnih keramičnih materialov s perovskitno strukturo, pomembnih zaradi njihovih dielektričnih in feroelektričnih lastnosti. Prispevali smo k razvoju in izobraževanju novih kadrov, saj so se nova spoznanja vključevala v vsebino učnih predmetov na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerze v Ljubljani (FKKT-UL), prav tako pa je bila v okviru tega projekta opravljena ena magistrska naloga na 2. bolonjski stopnji Kemije (FKKT-UL). V teku je tudi 1 doktorski študij na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana, ki bo dodatno pojasnil nekatere nedorečenosti v poznavanju sinteznih in strukturnih parametrov raziskovanih oksidnih materialov. Rezultati projekta so bili predstavljeni na številnih vabljenih predavanjih v Evropi in po svetu (več kot 20 vabljenih predavanj). Za tematiko obstaja veliko zanimanje, zato ni presenečenje, da nam je uspelo pridobiti partnerje in pripraviti nov mednarodni projekt, v okviru katerega poskušamo razvite in nove materiale uporabiti za izdelavo piezoelektričnega zbiralnika energije. Za preverjanje katalitskih lastnosti preferenčno orientiranih perovskitnih delcev z definirano obliko (nanokocke, nanoploščice) smo tudi že vzpostavili neformalno sodelovanje s Kemijskim inštitutom. Prav tako so raziskovalci z Univerze za znanost in tehnologijo iz Vroclava na Poljskem izrazili zanimanje za testiranje naših perovskitnih delcev za nelinearne optične aplikacije. Vse to kaže na raznoliko uporabno vrednost perovskitnih delcev z definirano obliko, kristalno strukturo in preferenčno orientacijo. Trenutno sicer še ne moremo govoriti o velikem vplivu teh raziskav na slovensko industrijo, saj podjetij, ki bi s svojo tehnologijo lahko proizvajala omenjene materiale v Sloveniji ni. Ker nismo še povsem raziskali vseh funkcionalne lastnosti razvitih materialov, nam še ni znana celotna uporabna vrednost razvitih materialov. Vendar je nedvoumno, da bodo mehanizmi topotaktičnih pretvorb, ki smo jih natančno raziskali, pomembni za načrtovanje oblike in preferenčne orientacije delcev drugih materialov, kar bo zagotovo pospešilo razvoj materialov z novimi ali izboljšanimi funkcionalnimi lastnostmi.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
