溶膠-凝膠法制備PbTiO3納米粉體

馬金明，李佳鈺，陳璐璐，肖長江

摘 要：為了研究PbTiO3納米粉體的制備，本文用溶膠-凝膠法制備了鈦酸鉛納米粉末，并用X射線衍射和掃描電子顯微鏡對制備的納米粉體的晶體結構、形貌和晶粒尺寸進行了表征。結果表明：用溶膠-凝膠法得到了純的鈦酸鉛粉體，粉體的晶粒大小較均勻，晶粒尺寸約為34 nm，粉體的晶體結構為四方結構，形貌為球形。

關鍵詞：鈦酸鉛;納米粉體;溶膠-凝膠法;晶體結構;晶粒尺寸

1 引言

鈦酸鉛（PbTiO3）是一種簡單鈣鈦礦結構的鐵電材料，具有較高的居里溫度、自發極化強度大、介電常數相對較低、正的電阻溫度系數及熱釋電系數大等優點，被廣泛應用在微電子器件、熱釋電探測器和多層電容器等領域[1]。隨著對納米材料的不斷探索與研究，人們對納米鐵電材料的制備和性能有很高的興趣，納米鐵電材料也表現出與常規材料不同的特性[2]。對于鈦酸鉛來說，晶粒尺寸對它的結構和性能也有很大的影響，例如，納米尺寸的鈦酸鉛會出現新的相變[3]， 在納米尺寸下最低聲子模頻率漂移，相關的喇曼振動峰寬化，其振動強度隨晶粒尺寸發生明顯變化[4]。文獻報道有很多的方法來制備鈦酸鉛納米粉體[5-8]。本文用溶膠-凝膠法來制備鈦酸鉛納米粉末，并用X射線衍射和掃描電子顯微鏡等對制備的納米粉體的晶體結構、形貌和晶粒尺寸進行了表征。

2 實驗

2.1 實驗過程

實驗時，先稱量鈦酸四丁酯溶于無水乙醇中，得到1mol/L的溶液，取適量的乙酸鉛溶于水，得到的溶液濃度為1mol/L;然后再稱取適量的氫氧化鉀溶液滴入兩者的混合液中;然后用去離子攪拌30 分鐘，將得到的反應液沉淀，過濾，洗滌，干燥，最后600℃ 煅燒1小時得到淡黃色粉末。

2.2樣品表征

用X射線衍射儀（XRD， CuKα，λ=0.15406 nm）來分析得到樣品的晶體結構，使用掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察粉末樣品的微觀結構，測量并分析其晶粒尺寸。

3 結果與討論

制備得到PbTiO3粉體的XRD如圖1所示。從圖1中可以看出：PbTiO3粉體XRD中的峰很尖銳，且強度較高，峰型很好，說明樣品結晶性好。經JADE軟件分析，PbTiO3粉體XRD數據與PDF卡片中的77-2002號相符，說明此樣品為純的PbTiO3粉體，晶體結構為四方相，沒有雜相。

為了進一步計算得到的PbTiO3粉體的晶粒尺寸，用步進掃描的方式將2θ 在380°- 420°范圍內進行掃描，掃描速度為1/3°/min，具體結果如圖2所示。利用Debye-Scherre公式（D=Kλ/（βcosθ）來計算，在圖2 中2θ為39.42，代入謝樂公式得到PbTiO3粉體的晶粒尺寸約為34 nm。

PbTiO3粉體的SEM如圖3所示：由于粉體的晶粒尺寸在納米范圍內，所以在SEM圖中，粉體團聚明顯，晶粒基本上為球形，晶粒大小比較均勻，用Nano measurer 2.1軟件計算得晶粒尺寸為35 nm，與用謝樂公式計算的結果一致。

4 結論

用溶膠-凝膠法制備得到了鈦酸鉛納米粉末，經X射線衍射和掃描電子顯微鏡等對制備的納米粉體進行表征。PbTiO3粉體XRD峰尖銳且強度高，沒有雜相，晶體結構為四方結構，形貌為球形，晶粒大小較均勻，晶粒尺寸約為34 nm。

參考文獻

[1]Leonarska A， Ujma Z， Molak A. Nano-size Grain Powders and Ceramics of PbTiO3 Obtained by the Hydrothermal Method and Their Electrical Properties[J]. Ferroelectrics， 2014， 466（1）： 42-50.

[2]黃詠安， 路標， 鄒藝軒，等. 晶粒尺寸對細晶鈦酸鋇陶瓷介電、壓電和鐵電性能的影響[J]. 無機材料學報. 2018，33（07）： 767-772.

[3]Fu D S， Hisao S ， Kenji I. Size-induced phase transition in PbTiO3 nanocrystals： Raman scattering study[J]. Physical Review B， 2000， 65（2）：3125-3129.

[4]周歧發， 張清琦， 張進修. PbTiO3 納米晶粒子的喇曼光譜及尺寸效應[J]. 中山大學學報（自然科學版）， 1996， 35（5）：15-19.

[5]喬仙蓉， 薛永強， 王姝婷，等： 溶膠-凝膠法制備粒徑可控的納米鈦酸鉛[J]. 化學試劑2020， 42（4）：435-438.

[6]翟學良，張素芳. 水熱條件對PbTiO3納米晶粒徑和形貌的影響[J]. 硅酸鹽學報，2004，32（2）：196-199.

[7]阮圣平，王兢， 張力， 等. 納米晶鈦酸鉛的合成及其介電性能的研究[J]. 功能材料與器件學報， 2003， 9（2）：139-142.

[8]鄧世琪， 黃曉強， 楊鑫，等. 鈣鈦礦結構鈦酸鉛四方板狀顆粒的水熱合成及表征[J].功能材料. 2014， 45（10）：10143-10146.成型