ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками

Классы МПК:C04B35/14 на основе диоксида кремния
B82B1/00 Наноструктуры
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГОУ ВПО "ВГУ") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-04-23
публикация патента:

Изобретение относится к наноструктурированным материалам с сегнетоэлектрической активностью. Технический результат заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими и регулируемыми диэлектрическими и пироэлектрическими характеристиками. Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами содержит в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, а в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2 COOH)3·H2SO4 при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 - 56-75, триглицинсульфат - 25-44. Материал имеет зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм. 2 ил., 5 пр.

Рисунки к патенту РФ 2529682

нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками, патент № 2529682 нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками, патент № 2529682

Изобретение относится к наноструктурированным материалов с выраженной сегнетоэлектрической активностью и может быть применено в устройствах микро- и наноэлектроники в качестве функциональных и чувствительных элементов (датчиков).

Наиболее известны материалы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, имеющие кристаллическую структуру, в основном это моно- и поликристаллы (М. Лайнс, А. Гласе. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы: М.: Мир, 1982), на основе оксидов висмута, титана и лантана (патент РФ № 2374207, C04B 35/475, 2009). Недостатками данных материалов являются:

- случайность характеристик; ограниченный температурный интервал, в котором обнаруживаются практически полезные параметры, невозможность регулировать в широких пределах диэлектрические и переполяризационные параметры указанных материалов;

- высокие значения практически важных характеристик в монокристаллах реализуются вблизи температуры фазового перехода, где наблюдается их очень сильная и неудобная для применений температурная зависимость.

Известны тонкопленочные сегнетоэлектрические материалы, представляющие собой электролитически осажденный на подложку порошок сегнетоэлектрика, например цирконат-титанат свинца, титанат бария, титанат висмута и др., причем материал предварительно спекают и осуществляют помол с получением фракций размером от 0,5 до 100 мкм (патент РФ № 2278910, C25D 15/02,2006), а также сегнетоэлектрический нанокомпозитный пленочный материал в виде полимерной пленки, например из поликарбоната, имеющего цилиндрические отверстия, которые заполняются, например, сегнетокерамикой, сегнетоэлектрическими жидкими кристаллами, сегнетоэлектрическими монокристаллами (патент РФ № 2436810). Недостатками данного материала являются:

- наличие диэлектрической подложки, влияющей на свойства создаваемых гетероструктур;

невозможность эффективного регулирования рабочих параметров пленочных сегнетоэлектрических материалов.

Известны керамические сегнетоэлектрические материалы, содержащие BaTiO3, SrTiO3 и (Ba1-x Six)Ln2Ti2Oi2 (патент РФ № 2293717, C04B 35/46А, 2007) или представляющие собой сложный оксид металлов с общей формулой Pb(1-x-3/2y)Ca xNdy[Ti0,98(W1/2Cd 1/2)0,02]O3 (патент РФ № 2305669, C04B 35/472, 007), обладающие размытым фазовым переходом и, следовательно, сглаженной температурной зависимостью рабочих характеристик. Недостатками данного материала являются:

- ограниченные возможности регулирования рабочих параметров, связанные с достаточно большими размерами спекаемых частиц и, следовательно, с малой величиной размерных эффектов;

- остаточная пористость, наличие которой характерно для любой керамики, ухудшает диэлектрические свойства материала, снижает его электрическую и механическую прочность, сокращает возможные области применения.

Наиболее близкими к изобретению являются твердый нанокомпозит с составом SiO 2 - ТГС с соотношением 55 на 45% соответственно, полученного с использованием нанодисперсного гидрозоля SiO2 со средним размером частиц кремнезема 5-7 нм, плотностью 1.195 г/см 3 и концентрацией 29.56% SiO2 и соли триглицинсульфата (С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С.Сидоркин и др. Сегнетоэлектрические свойства нанокомпозита гидрозоля SiO2 - ТГС. Изв. РАН, серия физическая, 2010, т.74, № 9, с.1351-1354), выбранный в качестве прототипа изобретения.

Недостатком прототипа является невозможность направленного регулирования диэлектрических и пироэлектрических параметров при фиксированном соотношении компонент состава.

Заявленное изобретение предназначено для решения задачи регулирования функциональных параметров сегнетоэлектрических материалов и повышения эффективности их применения в современной микро- и наноэлектронике.

Технический результат, получаемый при осуществлении данной задачи, заключается в получении сегнетоэлектрического материала с высокими диэлектрическими и пироэлектрическими характеристиками и возможности регулирования этих характеристик за счет изменения процентного соотношения компонент состава.

Технический результат достигается тем, что нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами, содержащий в качестве связующего вещества кремнезем SiO2, в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2 SO4, согласно изобретению имеет выраженную зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнезем SiO2 - 56-75;

Триглицинсульфат - 25-44.

Указанный нанокомпозитный сегнетоэлектрический материал получают по смесевой технологии. Используют нанодисперсный гидрозоль кремнезема SiO2 со средним размером частиц кремнезема 5-7 нм, плотностью 1,195 г/см3, концентрацией SiO2 в растворе 20-60% и соль триглицинсульфата (NH2CH 2COOH)3·H2SO4.

В результате выпаривания воды из смеси гидрозоля кремнезема и водного раствора сегнетоэлектрической соли триглицинсульфата получают твердую структуру с равномерно распределенными по объему частицами функциональной сегнетоэлектрической компоненты.

В отличие от твердых растворов в синтезируемом композите существуют четко выделенные границы между различными компонентами. Малость размеров контактирующих частиц обеспечивает высокий размерный эффект, повышенную возможность регулирования свойств, а отсутствие пустот исключает возможность блужданий и, следовательно, повышает стабильность формируемого состава.

Регулирование функциональных параметров материала осуществляется изменением соотношения компонент от 56 до 75 мас.% для кремнезема SiO 2 и от 25 до 44 мас.% для триглицинсульфата. Регулирование свойств нанокомпозитного состава возможно также за счет изменения размера контактирующих частиц (в данном случае частиц кремнезема). Кроме того, потенциальное использование компонент с различными упругими свойствами приведет к изменению степени зажатия сегнетоэлектрических частиц, обеспечивающему дополнительное изменение диэлектрических параметров композитного сегнетоэлектрического материала в целом.

На фиг.1 изображена зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры для образца кремнезема SiO2 - ТГС с массовым соотношением кремнезема SiO2 - 56 мас.% и ТГС - 44 мас.%; на фиг.2 изображены фотографии поверхности твердого образца гидрозоля кремнезема SiO2 (а) и композита кремнезема SiO2 - ТГС (b), полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6380LV при увеличении ×30000.

Получения заявленного нанокомпозита

Пример 1. В исходный нанодисперсный гидрозоль кремнезема с размерами частиц 5-7 нм плотностью 1.195 г/см2 и концентрацией 29,56% SiO2, нагретый до +50°С, вносили соль триглицинсульфата до получения насыщенного раствора. Затем каплю смешанного раствора наносили на специальную медную подложку с нанесенным сусальным серебром и охлаждали до комнатной температуры. При испарении воды на подложке образовывался образец твердого нанокомпозита кремнезем SiO2 - ТГС с соотношением 56 на 44 соответственно. На полученный образец наносили электроды из проводящей серебряной пасты.

Примеры 2, 3

Нанокомпозит SiO2 - ТГС получали по технологии, изложенной в примере 1, только использовался нанодисперсный гидрозоль оксида кремния с концентрацией SiO2 в растворе 20 и 60% соответственно. Были получены нанокомпозиты с содержанием кремнезема SiO2 менее 55% и более 75% соответственно.

Примеры 4, 5

Нанокомпозит кремнезем SiO2 - ТГС получали по технологии, изложенной в примере 1, но использовался нанодисперсный гидрозоль оксида кремния с размерами частиц SiO2 94 нм и 156 нм.

Диэлектрические измерения проводились с помощью цифрового моста LCR meter 41R в слабом измерительном поле напряженностью 5 В/см на частоте 1 кГц. Температура измерялась цифровым термометром с точностью 0,1 К. Все экспериментальные результаты записывались и обрабатывались с помощью компьютера. Пироэлектрические исследования проводились с помощью кулонометра UT-6801A. Все исследования контролировались аналогичными измерениями образцов обычного объемного монокристалла ТГС.

Диэлектрические измерения показали, что значения нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками, патент № 2529682 для образцов композита, полученных в Примере 1, при комнатной температуре в 2-3 раза превышают соответствующие значения для объемного ТГС. С последующим увеличением температуры наблюдается рост нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими характеристиками, патент № 2529682 вплоть до размытого максимума со значениями порядка 10 3 при температурах 100-105°С. Для диэлектрической проницаемости в окрестности точки Кюри выполняется закон Кюри-Вейса, что свидетельствует о сохранении в нанокомпозите фазового перехода, характерного для объемного ТГС.

Согласно расчету, произведенному по ненасыщенным петлям гистерезиса, поляризация для указанного композита достигает максимального значения 1,2÷1,4 мкКл/см2 при температуре 58°С, то есть в 2÷3 раза ниже, чем в монокристаллическом триглицинсульфате. Значения пироэлектрического коэффициента для указанного композита изменяются в пределах 2-12 ед. CGSE (фиг.1). Расчеты демонстрируют, что материал обладает хорошей пиродобротностью порядка 0,6. Высокие значения пиродобротности и расширенный рабочий интервал температур позволяют рекомендовать полученный материал для применения в качестве пирочувствительного элемента в современных устройствах микроэлектроники и электротехники.

Дифрактометрические исследования показали, что образцу композита SiO2 - ТГС соответствует аморфное состояние с набором линий, характерных для кристалла ТГС, хотя и меньшей интенсивности. Сравнительное исследование поверхностей твердого чистого SiO2 и нанокомпозита SiO2 -ТГС обнаруживают большую плотность структуры поверхности композита по сравнению с чистым кремнеземом, что свидетельствует о встраивании частиц SiO2 в структуру ТГС (фиг.2). Неравномерное распределение подобных неоднородностей по объему композита приводит к размытию фазового перехода.

По изображениям поверхности образцов, полученным при увеличении в 30000 раз, была проведена оценка размеров частиц композита. Показано, что указанный композит имеет плотную зернистую структуру с размерами частиц порядка 50-80 нм.

Образцы, полученные в примере 2, обладают пониженной прочностью и устойчивостью к внешним воздействиям, что объясняется уменьшением связующей роли кремнезема по отношению к кристаллитам триглицинсульфата. При концентрации SiO2 75% (пример 3) массовая доля сегнетоактивного вещества оказывается слишком мала, что приводит к ухудшению диэлектрических параметров материала.

Образцы, полученные в примере 4, отличаются низкими значениями диэлектрической постоянной (около 102) и снижением температуры сегнетоэлектрического фазового перехода до 60-70°С. Использование частиц кремнезема диаметром 156 нм (пример 5) делает невозможным получение аморфной композитной структуры, как в предыдущих примерах.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нанокомпозитный материал с сегнетоэлектрическими свойствами, содержащий в качестве связующего вещества кремнезем SiO2 , а в качестве сегнетоактивного вещества соль триглицинсульфата (NH2CH2COOH)3·H2 SO4, отличающийся тем, что имеет выраженную зернистую структуру с размерами зерен от 50 до 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнезем SiO2 - 56-75;

Триглицинсульфат - 25-44.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2529682

patent-2529682.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C04B35/14 на основе диоксида кремния

Патенты РФ в классе C04B35/14:
способ получения кварцевой керамики -  патент 2525892 (20.08.2014)
сырьевая смесь для изготовления стеновых керамических изделий -  патент 2523526 (20.07.2014)
способ изготовления изделий из кварцевой керамики -  патент 2515737 (20.05.2014)
способ получения изделий из пористых керамических и волокнистых материалов на основе кварцевого стекла -  патент 2514354 (27.04.2014)
способ получения кварцевой керамики с пониженной температурой обжига -  патент 2513745 (20.04.2014)
способ получения высокоплотного водного шликера на основе кварцевого стекла -  патент 2513072 (20.04.2014)
огнеупорная масса -  патент 2511106 (10.04.2014)
керамическая масса для производства кирпича -  патент 2509750 (20.03.2014)
способ получения кварцевой керамики с повышенной излучательной способностью -  патент 2509068 (10.03.2014)
сырьевая смесь для изготовления силикатного кирпича -  патент 2502706 (27.12.2013)

Класс B82B1/00 Наноструктуры

Патенты РФ в классе B82B1/00:
многослойный нетканый материал с полиамидными нановолокнами -  патент 2529829 (27.09.2014)
материал заменителя костной ткани -  патент 2529802 (27.09.2014)
катализатор циклизации нормальных углеводородов и способ его получения (варианты) -  патент 2529680 (27.09.2014)
способ определения направления перемещения движущихся объектов от взаимодействия поверхностно-активного вещества со слоем жидкости над дисперсным материалом -  патент 2529657 (27.09.2014)
способ формирования наноразмерных структур -  патент 2529458 (27.09.2014)
способ бесконтактного определения усиления локального электростатического поля и работы выхода в нано или микроструктурных эмиттерах -  патент 2529452 (27.09.2014)
способ изготовления стекловидной композиции -  патент 2529443 (27.09.2014)
комбинированный регенеративный теплообменник -  патент 2529285 (27.09.2014)
способ изготовления тонкопленочного органического покрытия -  патент 2529216 (27.09.2014)
полимерный медьсодержащий композит и способ его получения -  патент 2528981 (20.09.2014)


Наверх