บิสมัทเฟอร์ไรต์
| ตัวระบุ | |
|---|---|
| |
โมเดล 3 มิติ ( JSmol ) |
|
PubChem CID |
|
| |
| |
| คุณสมบัติ | |
| ไบเฟ่โอ | |
| มวลโมลาร์ | 312.822 กรัม·โมล−1 |
เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลที่ให้ไว้เป็นข้อมูลสำหรับวัสดุในสภาวะมาตรฐาน (ที่อุณหภูมิ 25 °C [77 °F] ความดัน 100 kPa) ข้อมูลอ้างอิงในกล่องข้อมูล | |
บิสมัทเฟอร์ไรต์ (BiFeO3 ที่เรียกกันทั่วไปว่าBFOในวิทยาศาสตร์วัสดุ ) เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์และเป็นหนึ่งในวัสดุมัลติเฟอร์โรอิก ที่มีศักยภาพมากที่สุด [ 1 ]เฟสที่อุณหภูมิห้องของ BiFeO3 อยู่ในประเภทรอมโบฮีดรัลซึ่งอยู่ในกลุ่มพื้นที่ R3c [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]มันถูกสังเคราะห์ขึ้นในรูปของวัสดุขนาดใหญ่และฟิล์มบางและทั้งอุณหภูมิเนล ของ แอนติเฟอร์โรแมกเนติก (การเรียงตัวแบบ G) (ประมาณ 653 K) และอุณหภูมิคูรีของเฟอร์โรอิ เล็กทริก นั้นสูงกว่าอุณหภูมิห้องมาก (ประมาณ 1100 K) [ 5 ] [ 6 ]การโพลาไรเซชันของเฟอร์โรอิเล็กทริกเกิดขึ้นตามทิศทางของซูโดคิวบิก) ด้วยขนาด 90–95 μC/ cm 2 [ 7 ] [ 8 ]
การเตรียมตัวอย่าง
บิสมัทเฟอร์ไรต์ไม่ใช่แร่ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ แต่มีการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์หลายวิธีเพื่อให้ได้สารประกอบนี้
การสังเคราะห์ของแข็ง
ในวิธีการปฏิกิริยาของแข็ง[ 9 ]บิสมัทออกไซด์ (Bi O ) และเหล็ก(III) ออกไซด์ (Fe O ) ใน อัตราส่วน โมล 1:1 จะถูกผสมด้วยครกหรือโดยการบดด้วยลูกบอลแล้วเผาที่อุณหภูมิสูง การเตรียมBiFeO ตามสัดส่วนทางเคมีเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความผันผวนของบิสมัทในระหว่างการเผา ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของเฟส Bi FeO ( เซเลไนต์ ) และ Bi Fe O ( มัลไลต์ ) รองที่เสถียร โดยทั่วไปจะใช้อุณหภูมิการเผาที่ 800-880 °C เป็นเวลา 5 ถึง 60 นาที แล้วจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว การใช้ Bi O ส่วนเกิน ยังถูกนำมาใช้เป็นมาตรการเพื่อชดเชยความผันผวนของบิสมัทและเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของเฟส Bi Fe O
การเติบโตของผลึกเดี่ยว
บิสมัทเฟอร์ไรต์หลอมเหลวแบบไม่สอดคล้องกัน แต่สามารถปลูกได้จากฟลักซ์ที่อุดมไปด้วยบิสมัทออกไซด์ (เช่น ส่วนผสม 4:1:1 ของ Bi O , Fe O และ B O ที่อุณหภูมิประมาณ 750-800 °C) [ 2 ]ผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงมีความสำคัญต่อการศึกษา คุณสมบัติ เฟอร์โรอิ เล็กทริก แอ น ติเฟอร์โรแมกเนติกและแมกเนโตอิเล็กทริกของบิสมัทเฟอร์ไรต์
เส้นทางเคมี
เส้นทางการสังเคราะห์ทางเคมีแบบเปียกโดยอาศัยเคมีโซลเจลเส้นทาง Pechini ที่ดัดแปลง [ 10 ] การสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอล[ 11 ]และการตกตะกอนถูกนำมาใช้เพื่อเตรียม BiFeO ที่บริสุทธิ์เฟส ข้อดีของเส้นทางทางเคมีคือความเป็นเนื้อเดียวกัน ขององค์ประกอบ ของสารตั้งต้นและการสูญเสียบิสมัทที่ลดลงเนื่องจากอุณหภูมิที่ต้องการต่ำกว่ามาก ในเส้นทางโซลเจล สารตั้งต้นอ สัณฐานจะถูกเผาที่อุณหภูมิ 300-600 °C เพื่อกำจัดสารตกค้างอินทรีย์และเพื่อส่งเสริมการตกผลึกของเฟสเพ อ ร์รอฟสไกต์บิสมัทเฟอร์ไรต์ ในขณะที่ข้อเสียคือผงที่ได้จะต้องถูกเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้ผลึกหลายผลึกที่ มีความหนาแน่นสูง
ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของสารละลายเป็นวิธีการต้นทุนต่ำที่ใช้ในการสังเคราะห์ BiFeO3 ที่มีรูพรุนวิธีนี้จะใช้สารลด (เช่นไกลซีนกรดซิตริกยูเรียฯลฯ) และสารออกซิไดซ์ ( ไอออนไนเต รต กรดไนตริก ฯลฯ) เพื่อสร้างปฏิกิริยา รีดอกซ์-รีดักชันการปรากฏของเปลวไฟ และอุณหภูมิของส่วนผสม จะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของสารออกซิไดซ์/สารลดที่ใช้[ 12 ] บางครั้งจำเป็นต้อง อบที่อุณหภูมิสูงถึง 600 °C เพื่อสลายบิสมัทออกโซไนเตรตที่เกิดขึ้นเป็นสารตัวกลาง เนื่องจากปริมาณของแคตไอออน Fe ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ นี้ สเปกโทรสโกปี Mӧssbauerจึงเป็นเทคนิคที่เหมาะสมในการตรวจจับการมีอยู่ของ ส่วนประกอบ พาราแมกเนติกในเฟส
ฟิล์มบาง
คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของฟิล์มบางเอพิแท็ก เซียลคุณภาพสูง ของบิสมัทเฟอร์ไรต์ที่รายงานในปี 2546 [ 1 ]ได้จุดประกายความสนใจทางวิทยาศาสตร์ในบิสมัทเฟอร์ไรต์อีกครั้ง ฟิล์มบางเอพิแท็กเซียลมีข้อดีอย่างมากคือคุณสมบัติสามารถปรับแต่งได้โดยการประมวลผล[ 13 ]หรือการเติมสารเคมี[ 14 ]และสามารถรวมเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ได้ ความเครียดเอพิแท็ก เซียล ที่เกิดจากพื้นผิว ผลึกเดี่ยวที่มี พารามิเตอร์แลตติซต่างจากบิสมัทเฟอร์ไรต์สามารถใช้เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึกให้เป็นสมมาตร แบบ โมโนคลินิกหรือ เตตระ โกนัลและเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติ เฟอร์โรอิเล็กทริก เพี ยโซอิเล็กทริกหรือแม่เหล็ก[ 15 ]การตกตะกอนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ (PLD) เป็นวิธีการทั่วไปในการสร้างฟิล์ม BiFeO เอพิแท็กเซียล และโดยทั่วไปจะใช้พื้นผิวSrTiO ที่มี อิเล็กโทรดSrRuO การสปัตเตอร์ , เอพิแท็กซีแบบลำแสงโมเลกุล (MBE), [ 16 ]การตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD), การตกตะกอนชั้นอะตอม (ALD) และการตกตะกอนสารละลายเคมี เป็นวิธีการอื่นๆ ในการเตรียมฟิล์มบางบิสมัทเฟอร์ไรต์แบบเอพิแท็กซี นอกจากคุณสมบัติทางแม่เหล็กและไฟฟ้าแล้ว บิสมัทเฟอร์ไรต์ยังมี คุณสมบัติ ทางโฟโตโวลตาอิกซึ่งรู้จักกันในชื่อปรากฏการณ์เฟอร์โรอิเล็กทริกโฟโตโวลตาอิก (FPV)
แอปพลิเคชัน
เนื่องจากเป็นวัสดุ ที่มีคุณสมบัติหลายอย่างในอุณหภูมิห้องและด้วยปรากฏการณ์เฟอร์โรอิเล็กทริกโฟโตโวลตาอิก (FPV) บิสมัทเฟอร์ไรต์จึงมีการใช้งานหลายด้านในสาขาแม่เหล็กสปินโทรนิ กส์ โฟ โตโวลตาอิก เป็นต้น
เซลล์แสงอาทิตย์
ในปรากฏการณ์ FPV กระแสไฟฟ้าจากแสงจะถูกสร้างขึ้นในวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกภายใต้การส่องสว่าง และทิศทางของกระแสไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชันเฟอร์โรอิเล็กทริกของวัสดุนั้น ปรากฏการณ์ FPV มีศักยภาพที่น่าสนใจในฐานะทางเลือกแทนอุปกรณ์โฟโตโวลตาอิกแบบดั้งเดิม แต่ข้อจำกัดหลักคือกระแสไฟฟ้าจากแสงที่เกิดขึ้นในวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริก เช่น LiNbO3 มีขนาดเล็กมาก[ 17 ซึ่งเป็นผลมาจากช่องว่างแถบพลังงานขนาดใหญ่และการนำไฟฟ้าต่ำ ในทิศทางนี้ บิสมัทเฟอร์ไรต์แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากพบปรากฏการณ์กระแสไฟฟ้าจากแสงขนาดใหญ่และแรงดันไฟฟ้าเหนือช่องว่าง แถบพลังงาน [ 18 ]ในวัสดุนี้ภายใต้การส่องสว่าง งานวิจัยส่วนใหญ่ที่ใช้บิสมัทเฟอร์ไรต์เป็นวัสดุโฟโตโวลตาอิกนั้นรายงานในรูปแบบฟิล์มบาง แต่ในรายงานบางฉบับ นักวิจัยได้สร้างโครงสร้างสองชั้นร่วมกับวัสดุอื่นๆ เช่น โพลิเมอร์ กราฟีนและสารกึ่งตัวนำอื่นๆ ในรายงานหนึ่ง ได้มีการสร้าง เฮเทอโรจังก์ชันพิน ด้วยอนุภาค นาโนบิสมัทเฟอร์ไรต์ พร้อมกับชั้นขนส่งตัวนำสองชั้นที่ใช้ฐานออกไซด์[ 19 ]แม้จะพยายามอย่างเต็มที่แล้ว ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ได้จากบิสมัทเฟอร์ไรต์ก็ยังต่ำมาก
ชิปหน่วยความจำ
ทีมจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่งและสภาวิจัยแห่งชาติสเปนอ้างว่าการแทนที่ออกซิเจนบางส่วนของเฟอร์ไรต์ด้วยสารประกอบอื่น เช่น ซัลเฟอร์ สามารถเพิ่มแรงแม่เหล็กได้มากกว่า 60 เท่า ซึ่งอาจเปิดโอกาสในการปรับปรุงความหนาแน่นของหน่วยความจำแม่เหล็กและเพิ่มความทนทานต่อไฟฟ้าดับ[ 20 ]