一种钛酸铋钠纳米线及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有条纹畴结构的高压电系数的钛酸铋钠纳米线。所述条纹畴沿钛酸铋钠纳米线的长度方向交替排列。本发明专利技术还公开了一种所述钛酸铋钠纳米线的制备方法，包括以下步骤：(1)配制钛酸铋钠前驱体溶液(2)水热合成钛酸铋钠纳米线。所述方法可制备得到具有规律条纹畴结构的钛酸铋钠纳米线。所述规律条纹畴结构可有效地提高钛酸铋钠纳米线的压电系数。

Bismuth sodium titanate nanowires and their preparation methods

The invention discloses a bismuth sodium titanate nanowire with stripe domain structure and high voltage electric coefficient. The fringe domains are arranged alternately along the length direction of the bismuth sodium titanate nanowires. The invention also discloses a preparation method of the bismuth sodium titanate nanowires, which comprises the following steps: (1) preparation of bismuth sodium titanate precursor solution (2) hydrothermal synthesis of bismuth sodium titanate nanowires. The method can prepare bismuth sodium titanate nanowires with regular stripe domain structure. The regular fringe domain structure can effectively improve the piezoelectric coefficient of bismuth sodium titanate nanowires.

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸铋钠纳米线及其制备方法
本专利技术涉及一种具有条纹畴结构的钛酸铋钠纳米线及其制备方法，属于无机非金属材料

技术介绍
铁电压电材料维度的降低、尺寸的减小进一步推动了微电子工业集成化的发展，也更加符合半导体行业的发展潮流。一维无铅压电材料由于体积小和比表面积大的特点，在铁电随机存储器(FRAM)、纳米机电系统、能量收集器等领域有着潜在的应用前景。Mi-RiJoung等人用水热法在温度为120℃，KOH浓度为14M下反应144h成功制备正交相KNbO3纳米线，压电系数约为11.6pm/V[JoungMR,SeoIT,KimJS,etal.StructuraldependenceofthepiezoelectricpropertiesofKNbO3,nanowiressynthesizedbythehydrothermalmethod[J].ActaMaterialia,2013,61(10):3703-3708.]，该制备方法存在反应时间长、压电系数小等技术问题。KLiuH等人用水热法在温度为120℃，NaOH浓度为12.5M下反应3h成功制备NaNbO3纳米线，其压电系数约为4pm/V[KLiuH,ZhangZ,HuL,etal.NewUV‐APhotodetectorBasedonIndividualPotassiumNiobateNanowireswithHighPerformance[J].AdvancedOpticalMaterials,2015,2(8):771-778.]，该制备方法存在压电系数小等技术问题。而钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3，以下简称NBT)是典型的ABO3型钙钛矿结构，其居里温度为320℃，在室温下具有较大的剩余极化强度Pr(38μC/cm2)，被认为是一种具有优异压电性能的无铅钙钛矿材料。MohammadBagherGhasemian等人用水热法在温度为200℃，NaOH浓度为12M下反应20h成功制备直径150-200nm、长度为5μm的BNT纳米纤维，压电系数约为15pm/V[GhasemianMB,LinQ,AdabifiroozjaeiE,etal.Morphologycontrolandlargepiezoresponseofhydrothermallysynthesizedlead-freepiezoelectric(Bi0.5Na0.5)TiO3nanofibres[J].RscAdvances,2017,7(25):15020-15026.]，该制备方法依然存在反应温度高、压电系数小等技术问题。综上所述，该制备方法制备的一维无铅压电材料存在着反应温度高、水热时间长、压电系数小等技术问题。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种具有不同衬度交替的条纹畴结构，高压电系数的一维无铅钙钛矿NBT纳米线。本专利技术的第二个目的是提供一种NBT纳米线的制备方法。本专利技术一种NBT纳米线，具有条纹畴。专利技术人通过研究发现，所述NBT纳米线在未极化(未施加电压)的状态下由于其内部存在沿长度方向交替排列的条纹状畴结构，其自发极化存在一定的方向性。而且，所述NBT纳米线为NBT单晶，这种规律排列的特定畴结构的存在使得该纳米线沿其生长方向趋于更高的各向异性，从而使纳米线表现出较强的压电性能，呈现高的压电系数。经过极化后，NBT纳米线的条纹畴排列得更加有规律，极化方向会更加具有方向性，从而其压电性能会表现得更加优异。所述条纹畴沿NBT纳米线的长度方向交替排列。所述条纹畴的宽度为20-65nm。所述NBT纳米线表面光滑,结构均一，有清晰规则的晶格条纹，晶面间距为0.991nm对应(101)晶面。所述NBT纳米线的长度为4-10μm，宽度为70-200nm。本专利技术一种NBT纳米线的制备方法，包括下述步骤：步骤一：配制NBT前驱体溶液；将Bi源于有机酸中溶解，得到溶液A；将Ti源于有机醇中溶解，得到溶液B；将Na盐溶于H2O中，得到溶液C；将溶液A加入溶液B中，搅拌后加入溶液C中，向得到的混合溶液中加入pH调节剂，得到NBT前驱体溶液；步骤二：水热合成NBT纳米线；将步骤一所得的NBT前驱体溶液进行水热反应，然后离心，干燥，得到所述NBT纳米线。所述Bi源包括Bi盐，所述Bi盐包括硝酸铋；所述Ti源包括钛酸酯，所述钛酸酯包括钛酸四丁酯；所述Na盐包括硝酸钠。所述有机酸包括冰醋酸，所述有机醇包括乙醇。所述pH调节剂包括NaOH溶液，所述NaOH溶液的浓度为10-14mol/L。所述Na盐、Bi源与Ti源的摩尔比为1:1:2-1:1.1:2.1。所述NaNO3：Bi(NO3)3：Ti(OC4H9)4的摩尔比为1:1:2-1:1.1:2.1。所述水热反应的温度为150-180℃，水热反应的时间为40-50h。所述水热反应的温度为160-175℃，水热反应的时间为45-49h。专利技术人通过研究发现，所述水热反应的起始阶段，NBT产物形貌为球状纳米晶和许多细小的块状晶体。随着反应的进一步进行，溶液中的TiO2·nH2O的溶解度增大，和Na+和Bi3+离子大量聚集，溶液的饱和度达到水热反应的临界饱和度，在此时提供了一个形成条纹畴NBT纳米线的适宜环境。NBT纳米线是从反应时间为24h时的小纳米块基于定向生长机制而长大成线，相邻的小纳米块沿着相同的晶体取向自动结合，自发且定向吸附的驱动力会引起粒子表面自由能的大幅度减小，进而形成具有条纹畴结构的NBT纳米线，见本专利技术附图说明的图6(c)和图11。进一步将反应时间延长至60h，NBT产物形貌由线状NBT纳米晶转变成单一的NBT微米块，见对比例2。而在相同反应时间下，提高水热温度，晶体结晶速率会进一步提高，聚集成球的纳米线沿c轴快速生长成棱角分明的NBT微米块，见对比例4。缩短和延长反应时间以及提高水热温度都不利于条纹畴NBT纳米线的形成，所以制备条纹畴NBT纳米线的最佳参数组合为水热温度为170℃和反应时间为48h。相对于现有技术，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术的NBT纳米线的制备方法设备简单、操作简便、工艺条件容易控制、能耗低、无环境污染，易于工业化生产。(2)本专利技术制备得到的NBT纳米线具有条纹畴结构，该结构有效提升了NBT纳米线压电性能。(3)本专利技术制备的NBT纳米线的有效压电系数d33约为24pm/V。附图说明图1是配制NBT前驱体溶液的实验流程图；图2是不同反应时间下NBT粉体的XRD图；采用X射线衍射仪(XRD，X'PertPRO，帕纳科公司，荷兰)对不同反应时间下所得的NBT粉体进行测试，所得的XRD图如图2所示。从图中可以看出，相比于对比例1中反应时间为24h时粉体所测得的衍射峰，实施例1中延长反应时间至48h后得到的产品，其衍射峰强度随着时间的增加而变强，衍射峰相比而言更加尖锐。当对比例2中反应时间达到60h后得到的产品，其衍射峰强度较反应时间为48h时得到的产品有所减弱。当对比例3中反应时间增加至72h后得到的产品，其衍射峰强度进一步减弱。说明适当的反应时间对结晶性起到了促进作用，时间过长或者过短，结晶效果不佳。图3是不同反应时间下NBT粉体的SEM图；采用扫描电子显微镜(SEM，MIRA3LMU，泰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸铋钠纳米线，其特征在于：具有条纹畴。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸铋钠纳米线，其特征在于：具有条纹畴。2.如权利要求1所述的钛酸铋钠纳米线，其特征在于：所述条纹畴沿钛酸铋钠纳米线的长度方向交替排列。3.如权利要求1或2所述的钛酸铋钠纳米线，其特征在于：所述条纹畴的宽度为20-65nm。4.如权利要求1-3任一项所述的钛酸铋钠纳米线，其特征在于：所述钛酸铋钠纳米线的长度为4-10μm，宽度为70-200nm。5.基于权利要求1-4所述的钛酸铋钠纳米线的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：配制钛酸铋钠前驱体溶液；将Bi源于有机酸中溶解，得到溶液A；将Ti源于有机醇中溶解，得到溶液B；将Na盐溶于H2O中，得到溶液C；将溶液A加入溶液B中，搅拌后加入溶液C中，向得到的混合溶液中加入pH调节剂，得到钛酸铋钠前驱体溶液；步骤二：水热合成钛酸铋钠纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱哲，李俊鹏，李超，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43