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。

In this study, the inductive properties of BaTiO3 particles were investigated. The two-stage thermal decomposition method of BaTiO_3 was used to study the dependence of the particle size on the inductivity. As a result, the particle diameter is 140nm, and the specific permittivity is about 5,000. The reason for this is that BaTiO_3 particles have a composite structure. The results of precise analysis of X-ray reflection of BaTiO_3 particles show that BaTiO_3 particles consist of a three-layer structure consisting of an inner tetragonal crystal Layer, a gradient-lattice-strain layer (GLSL) and a surface cubic crystal layer. This GLSL is composed of tetragonal crystals, cubic crystals and transition structures. It is estimated that the dielectric constant of the crystal is high. On the other hand, the surface layer has a low permittivity and a constant permittivity. The induction coefficient of the three layers is constant, and the induction coefficient of the whole particle is constant. In addition, the permittivity of fine particles is dominated by the thickness of the cubic crystal layer and GLSL layer on the surface. When the cubic crystal layer is thick, the permittivity decreases with the particle diameter. The existence of GLSL takes into account the complex structure, the critical diameter of ferroelectric particles, the dependence of permittivity on particle size, the temperature dependence of permittivity, and the dependence of permittivity on particle size.

项目成果

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

Origin of Ultrahigh Dielectric Constants for Barium Titanate Nanoparticles

• DOI: 10.3938/jkps.51.878
• 发表时间: 2007-08
• 期刊: Journal of the Korean Physical Society
• 影响因子: 0.6
• 作者: S. Wada;T. Hoshina;K. Takizawa;Masanori Ohishi;Hiroaki Yasuno;H. Kakemoto;T. Tsurumi;C. Moriyoshi;Y. Kuroiwa

Size and temperature induced phase transition behaviors of barium titanate nanoparticles

• DOI: 10.1063/1.2179971
• 发表时间: 2006-03-01
• 期刊: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
• 影响因子: 3.2
• 作者: Hoshina, T;Kakemoto, H;Yashima, M
• 通讯作者: Yashima, M

Complex Structure and Size Effect of Barium Titanate Fine particles

钛酸钡细颗粒的复杂结构与尺寸效应

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