CC BY
15МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
Научная статья УДК 537.226.86
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-2-151-163
Исследование структурных и электрофизических свойств нанонитей титаната бария, полученных методом гидротермального синтеза
А. М. Тарасов1, С. В. Дубков1, Ву Ван Зунг1, Д. А. Киселев2, А. П. Сиротина3, Л. С. Волкова3, Р. М. Рязанов1'4, Д. Г. Громов1'5
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
2Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Россия
Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, г. Москва, Россия 4НПК
«Технологический центр», г. Москва, Россия 5Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Минздрава России
u123168@edu.miet.ru
Аннотация. Исследование структурных и электрофизических свойств пьезоэлектриков является важной задачей для создания эффективных пьезоэлектрических наногенераторов, предназначенных для повышения автономности электронных устройств. Один из перспективных материалов для создания наногенераторов - титанат бария ВаТЮ3, для изучения свойств которого необходима специальная подготовка образца. В работе представлены результаты изучения электрофизических свойств отдельной нанонити ВаТЮ3, прикрепленной на поверхности подложки методами атомной силовой микроскопии. Формирование нанонитей ВаТЮ3 проведено с применением двухстадийного гидротермального синтеза с использованием диоксида титана ТЮ2 в качестве прекурсора и титаната натрия как промежуточного соединения. Исследованы морфология поверхности и фазовый состав нанонитей ВаТЮ3 с использованием растрового электронного микроскопа и метода рентгеновской дифракции. Представлена методика закрепления отдельной нанонити ВаТЮ3 на проводящей подложке для исследования пьезоэлектрических характеристик на атомном силовом микроскопе. Полученные нанонити ВаТЮ3 имеют тетрагональную фазу со средней длиной ~ 14 мкм и диаметром 330 нм. Внутреннее напряжение нанонити составляет -0,45 В, пьезоэлектрический коэффициент й33 = 5,2 пм/В. Полученные данные подтверждают возможность применения нанонитей ВаТЮ3 в наногенераторах и МЭМС-устройствах.
© А. М. Тарасов, С. В. Дубков, Ву Ван Зунг, Д. А. Киселев, А. П. Сиротина, Л. С. Волкова, Р. М. Рязанов, Д. Г. Громов, 2023
Ключевые слова: BaTiO3, нанонити, атомный силовой микроскоп, пьезоэффект, гидротермальный синтез
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 22-19-00654).
Для цитирования: Исследование структурных и электрофизических свойств нанонитей титаната бария, полученных методом гидротермального синтеза / А. М. Тарасов, С. В. Дубков, Ву Ван Зунг и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 151-163. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-151-163
Original article
Investigation of the structural and electrophysical properties of barium titanate nanowires produced by the hydrothermal synthesis
A. M. Tarasov1, S. V. Dubkov1, Vu Van Zung1, D. A. Kiselev2, A. P. Sirotina3, L. S. Volkova3, R. M. Ryazanov14, D. G. Gromov15
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 a >>
National University of Science and Technology "MISiS", Moscow, Russia
Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 4SMC "Technological Centre ", Moscow, Russia 5I. M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, Moscow, Russia
u123168@edu.miet.ru
Abstract. The study of the structural and electrophysical properties of piezoelectrics is an important task for the creation of efficient piezoelectric nanogenerators designed to increase the autonomy of electronic devices. One of promising materials for nanogenerator creation is barium titanate BaTiO3. Special sample preparation is required to study its properties. In this work, the results of studying the electrical properties of an individual BaTiO3 nanowire attached to the substrate surface using atomic force microscopy are presented. The BaTiO3 nanowires have been formed by two-stage hydrothermal synthesis using titanium dioxide TiO2 as a precursor and sodium titanate an intermediate. The surface morphology and phase composition of BaTiO3 nanowires were studied using a scanning electron microscope and X-ray diffraction. A technique for fixing an individual nanowire on a conductive substrate for studying piezoelectric characteristics using an atomic force microscope is presented. The BaTiO3 nanowires obtained have a tetragonal phase with an average length of ~ 14 цт and a diameter of 330 nm. The internal voltage of the nanowire is -0.45 V. The piezoelectric coefficient d33 is 5.2 pm/V. The resulting data confirm the possibility to apply BaTiO3 nanowires in nanogenerators and MEMS-devices.
Keywords: BaTiO3, nanowires, atomic force microscope, piezoeffect, hydrothermal synthesis
Funding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-19-00654).
For citation. Tarasov A. M., Dubkov S. V., Zung Vu Van, Kiselev D. A., Sirotina A. P., Volkova L. S., Ryazanov R. M., Gromov D. G. Investigation of the structural and electrophysical properties of barium titanate nanowires produced by the hydrothermal synthesis. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 2, pp. 151-163. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-151-163
Введение. Для работы носимых автономных электронных устройств требуется электроэнергия, получаемая либо из одноразовых батарей, либо из перезаряжаемых аккумуляторов. В зависимости от вида источника питания необходимо проводить периодическую его замену или зарядку от внешнего источника питания. Проблема особенно актуальна в медицине (например, для замены кардиостимулятора требуется инвазивная процедура) [1]. Решением данной проблемы могут стать автономные устройства, представляющие собой комбинацию наногенератора, подзаряжающего встроенную аккумуляторную батарею. Использование пьезоэлектрических наногенераторов для зарядки устройств носимой электроники - перспективное направление [2, 3]. Они могут «собирать» энергию механической деформации, возникающей при ходьбе, сгибании рук и ног. В качестве пьезоэлектрического материала для создания наногенератора может применяться титанат бария BaTiO3 [4-6]. Также BaTiO3 применяется в сенсорике [7], катализе [8], ячейках памяти [9], многослойных конденсаторах [10] и пироэлектрических детекторах [11].
Наноразмерный BaTiO3 применяется в виде наночастиц (0D), нанонитей (1D) и тонких пленок (2D). Одномерные структуры характеризуются высокой удельной поверхностью и эффективным обменом носителями заряда [12]. Среди множества методов получения одномерных наноструктур BaTiO3 можно выделить гидротермальный метод синтеза, который отличается высокой воспроизводимостью, низкими температурами синтеза и низкой себестоимостью [13]. Изучение пьезоэлектрических свойств на-норазмерного BaTiO3 традиционно проводится методом силовой микроскопии пьезо-отклика (СМП). С помощью этого метода исследуются процессы локального переключения и релаксации сигнала пьезоотклика, устанавливается наличие внутреннего заряда, определяется направление поляризации (вертикальная и горизонтальная составляющие) и т. д. Результаты исследований во многом зависят от подготовки образцов. Известно, что для исследования пьезоэлектрических свойств методом СМП возможно использование образцов в виде спрессованного порошка [14] и массивов нанонитей, выращенных на поверхности подложки [15]. Однако при исследовании электрофизических свойств отдельного свободно лежащего нитевидного кристалла могут возникать проблемы, связанные со сканированием.
В настоящей работе с использованием метода СМП рассматриваются электрофизические свойства отдельной горизонтально расположенной нанонити BaTiO3 и описывается разработанная методика закрепления единого кристалла на поверхности проводящей подложки.
Эксперимент. Нанонити BaTiO3 получены двухстадийным гидротермальным синтезом [16]. На первой стадии проводили синтез титаната натрия в щелочном растворе. Для этого в фторопластовый контейнер объемом 100 мл помещали 50 мл 10 М раствора гидроксида натрия NaOH, 0,6 г коммерческого порошка диоксида титана TiO2
Degussa P25 и перемешивали на магнитной мешалке HJ-3 в течение 30 мин. Затем контейнер с полученной суспензией помещали в автоклав. Нагрев автоклава осуществляли в муфельной печи Project 30/1250. Синтез проводили при температуре 250 °С в течение 12 ч. По окончании синтеза нагрев выключали и автоклав оставляли остывать до комнатной температуры.
Очистку полученных нанонитей от остатков щелочи проводили путем многократной их промывки в деионизованной воде, промывку - в лабораторном стакане с 400 мл деионизованной воды. Нанонити помещали в стакан и перемешивали на магнитной мешалке в течение 15 мин. Затем проводили вакуумную фильтрацию суспензии через фильтровальную воронку Шотта ПОР 16 с использованием колбы Бунзена и мембранного насоса GM-0,20. Промывку осуществляли до нейтрального рН (рН = 7). По окончании промывки нанонити помещали в деионизованную воду объемом 20 мл, перемешивали до образования однородной суспензии, которую выливали на безворсовую бумагу для последующей сушки.
Нанонити BaTiO3 получали в результате гидротермальной реакции взаимодействия титаната натрия и гидроксида бария Ba(OH)2. Для этого во фторопластовом контейнере объемом 150 мл приготавливали 50 мл 0,1 М водного раствора Ba(OH)2, добавляли 0,3 г нанонитей TiO2 и все перемешивали на магнитной мешалке в течение 30 мин. Полученную в контейнере суспензию помещали в автоклав, который нагревали в муфельной печи. Синтез проводили при температуре 210 °С в течение 9 ч. По окончании синтеза автоклав оставляли остывать до комнатной температуры. Полученные нанонити BaTiO3 многократно промывали в деионизованной воде до pH = 7 описанным методом. После промывки нанонити сушили при температуре 90 °С в течение 12 ч.
Для исследования нанонитей методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) проводили подготовку образцов. Приготавливали водную суспензию, которую наносили на кремниевую подложку со слоем алюминия с помощью дозатора. Слой алюминия толщиной порядка 100 нм формировали методом магнетронного напыления. Перед нанесением алюминия подложка проходила стандартную очистку в травителях Каро и ПАР. Суспензию сушили в вытяжном шкафу до полного испарения воды.
Морфологию и закрепление нанонитей анализировали с помощью двухлучевого сканирующего электронно-ионного микроскопа Helios G4 CX. Изображение получено с применением детектора вторичных электронов, встроенного в объективную линзу. Детектор позволяет получать изображения высокого качества как при низких ускоряющих напряжениях, так и при коротких фокусных расстояниях. Ускоряющее напряжение равно 1 кВ, первичный ток пучка составляет 21 пА.
Фазовый состав нанонитей BaTiO3 исследовали с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС). КРС-спектр снимали на рамановском спектрометре LabRaM HR Evolution (Horiba) с использованием полупроводникового лазера с длиной волны 532 нм, мощностью 5 мВт и фокусирующей линзой со 100* увеличением.
Рентгенофазовый анализ полученного образца проводили на рентгеновском ди-фрактометре Malverin PanAnalytical Empirean с фокусирующей схемой по Бреггу -Брентано с использованием двумерного полупроводникового детектора в режиме работы 1D. Дифрактограммы получены в режиме сканирования по углу 20-ю в диапазоне углов 20 от 10 до 85о с использованием излучения CuKa при параметрах рентгеновского источника 45 кВ и 40 мА. Шаг сканирования составлял 0,0131о Дифрактограммы расшифрованы с помощью базы данных PDF2.
Пьезоэлектрический отклик нанонити BaTiO3 исследовали на атомно-силовом микроскопе (АСМ) NTEGRA Prima (NT-MDT SI, Россия) с установленным кантилевером
CSG10/Pt в режиме СМП. На зонд подавали переменное напряжение, равное 5 В, с частотой 190 кГц. Остаточные петли пьезоэлектрического гистерезиса получены на многофункциональном сканирующем зондовом микроскопе MFP-3D™ Stand Alone (Oxford Instruments Asylum Research, США) в режиме DART PFM вблизи контактного резонанса кантилевер - образец (~ 1,1 МГц), затем были скорректированы с использованием модели простого гармонического осциллятора [17-19]. Длительность импульса «записи» и «считывания» сигнала пьезоотклика составляла 25 мс. Схема измерения пьезоэлектрического отклика представлена на рис. 1.
Результаты и их обсуждение. РЭМ-изображения полученных нанонитей титаната натрия и BaTiO3 представлены на рис. 2. Изначально нанонити Na2TiO3 (рис. 2, а) имели среднюю длину ~ 8 мкм и диаметр ~ 200 нм. Нанонити BaTiO3 (рис. 2, б), полученные в ходе гидротермального синтеза из нанонитей Na2TiO3, имеют длину ~ 14 мкм и диаметр ~ 330 нм. Наблюдаемое увеличение размеров нанонитей можно объяснить образованием BaTiO3.
Рентгенограммы нанонитей титаната натрия и BaTiO3, полученного после 9 ч синтеза, представлены на рис. 3. По рентгенограмме титаната натрия определить точный фазовый состав не представляется возможным. Наблюдаются пики, характерные для смеси соединений NaxTiyOz с различной стехиометрией (NaxTi2O4, Na2Ti6O4, Na2Ti7O15) [20]. Однако определить фазу нанонитей затруднительно. Обнаруженные пики на ди-фрактограмме могут соответствовать как параэлектрической кубической модификации BaTiO3, так и сегнетоэлектрической тетрагональной модификации. Сложность интерпретации полученных данных связана с тем, что отличие кубической модификации от тетрагональной заключается в искажении кристаллической решетки в одном из направлений. На дифрактограмме отличия сегнетоэлектрической тетрагональной фазы от кубической состоят в разделении пиков кубической фазы с определенным набором индексов (hkl). Так, для кубической решетки BaTiO3 рефлекс (200) для семейства эквивалентных плоскостей {200}, расположенный при 20 = 45,2о, из-за искажения кубической кристаллической решетки и образования тетрагональной фазы расщепляется на два рефлекса с неэквивалентными плоскостями (200) и (002) [21, 22]. В случае нано-размерных структур из-за малой области когерентного рассеяния происходят уширение пиков на дифрактограмме и перекрывание пиков от близлежащих рефлексов (200) и (002), что дополнительно усложняет процесс определения фазового состава [23]. Поэтому для определения наличия тетрагональной фазы совместно с рентгенофазовым анализом применялся метод КРС.
На рис. 4 представлены КРС-спектры нанонитей BaTiO3, на которых выделяются пики, расположенные на 185 см-1 [A1(TO), E(LO)], 265 см-1 [A1(TO)], 306 см-1 [B1, E(TO + LO)], 520 см-1 [A1, E(TO)] и 720 см-1 [A1, E(LO)] [23]. Наличие связей A1(TO и LO) можно объяснить образованием тетрагонального BaTiO3. Таким образом, приведенный на рис. 4 КРС-спектр характерен для тетрагональной структуры BaTiO3 [24, 25]. Совокупность результатов рентгенофазового анализа и метода КРС позволяет сделать вывод о наличии тетрагональной фазы BaTiO3.
Рис. 1. Схема измерения отдельной нанонити методом СМП Fig. 1. Scheme for measuring an individual nanowire by PFM
Рис. 2. РЭМ-изображения и гистограммы распределения по длине синтезированных нанонитей: а - титанат натрия, 12 ч синтеза; б - BaTiO3, 9 ч синтеза Fig. 2. SEM images and length distribution histograms of the synthesized nanowires: a - sodium titanate, 12 hours of synthesis; b - BaTiO3, 9 hours of synthesis
40 50 20,град
Рис. 3. Рентгенограммы нанонитей титаната натрия и BaTiO3, синтезированного в течение 9 ч Fig. 3. X-ray pattern of sodium titanate nanowires and BaTiO3 synthesized within 9 hours
Рис. 4. КРС-спектр нанонитей BaTiO3 Fig. 4. Raman spectrum of BaTiO3 nanowires
Дорожки Pt
5 мкм
Для исследования пьезоэлектрического отклика образец одиночной нанонити ВаТЮз прикрепляли к кремниевой подложке с использованием наноманипулятора с зондом и газовой инжекционной системы, вводящей прекурсор платины. Для того чтобы с использованием платины прикрепить конец стержня к зонду, его с помощью наноманипулятора подводили к краю нанонити. Затем, управляя манипулятором, зонд вместе с трубкой перемещали на подложку. С помощью фокусированного ионного пучка ионами галия стравливалась платина, соединяющая конец нанонити и зонда. Далее, управляя манипулятором, зонд отводили в нулевое положение. Для закрепления нанонити к поверхности проводящей подложки (кремний со слоем алюминия толщиной порядка 100 нм) наносили линии из платины толщиной ~ 300 нм, шириной 300 нм и длиной 3 мкм сначала на один край нанонити, затем на противоположный, тем самым закрепляя нанонить на подложке. РЭМ-изображение прикрепленной нанонити ВаТЮ3 представлено на рис. 5.
Прикрепленная к кремниевой подложке нанонить ВаТЮ3, визуализированная методом СМП, имеет длину ~ 2,2 мкм и ширину ~ 350 нм (рис. 6, а). Вертикальный пьезо-отклик, представленный на рис. 6, б, отрицательный, что говорит о направленности поляризации от поверхности в объем нанонити. Это объясняется большей частотой переменного напряжения (190 кГц), чем контактная резонансная частоты системы кан-тилевер - нанонить (~ 175 кГц). Выбор такой частоты переменного напряжения обусловлен большей чувствительностью и возможностью выявления полезного сигнала. По сравнению с вертикальным у латерального пьезоэлектрического сигнала (рис. 6, в) наблюдается меньшее значение отклика по амплитуде, отличающееся на три порядка. Таким образом, можно сделать вывод о наличии преимущественной вертикальной поляризации у нанонитей ВаТЮ3.
Рис. 5. РЭМ-изображение нанонити BaTiO3, прикрепленной к кремниевой подложке Fig. 5. SEM image of a BaTiO3 attached to silicon substrate nanowires
Рис. 6. Изображения прикрепленной к кремниевой подложке нанонити BaTiO3: а - топография нанонити; б - вертикальный сигнал пьезоэлектрического отклика; в - латеральный сигнал
пьезоэлектрического отклика Fig. 6. Image of BaTiO3 nanowires attached to silicon substrate: a - nanowires topography; b - vertical piezoelectric response signal; c - lateral piezoelectric response signal
m
s с
к
3 л
s 2
•e-#
0
-2
•©" и
-е--4
о
-20
-10 0 10
Напряжение, В
20
Петля остаточного пьезоэлектрического гистерезиса (режим выключенного поля) представлена на рис. 7. Она характеризуется напряжением переключения Ц> = 4,18 В и UC- = -5,08 В, в результате чего наблюдается асимметрия относительно оси напряжения ввиду наличия внутреннего напряжения смещения, которое составляет -0,45 В [25].
Значение пьезоэлектрического коэффициента d33 ~ 5,2 пм/В, что сопоставимо с результатами других исследований [26, 27]. Внутреннее электрическое поле в нанони-тях BaTiO3 имеет положительный эффект при использовании их в пьезогенераторах и МЭМС-устройствах [28], однако его наличие не позволяет применять их в качестве функциональных слоев устройств неразру-шаемой памяти (FeRAM) из-за паразитного эффекта предпочтительной ориентации спонтанной поляризации [29].
Заключение. В результате двухстадийного гидротермального синтеза в течение 9 ч получены нанонити BaTiO3 средней длиной ~ 14 мкм и диаметром ~ 330 нм. Проведенные исследования нанонитей подтвердили получение структур BaTiO3 с тетрагональной кристаллической решеткой. Применение разработанной методики прикрепления единичной нанонити к кремниевой подложке с контактным слоем позволило исследовать пьезоэлектрический отклик BaTiO3 методом СМП.
По результатам исследования пьезоэлектрического отклика установлено наличие преимущественного вертикального и слабого латерального откликов. Петли остаточного гистерезиса смещены относительно оси ординат. Внутреннее напряжение смещения составляет -0,45 В. Отрицательные значения пьезоэлектрического отклика говорят о наличии внутреннего электрического поля, что является важным условием применения данного материала в наногенераторах и МЭМС-устройствах.
Рис. 7. Петля остаточного пьезоэлектрического гистерезиса
Fig. 7. Piezoelectric hysteresis loop (field-off mode or residual piezohysteresis loop)
Литература
1. Shape-controlled monocrystalline ferroelectric barium titanate nanostructures: From nanotubes and nan-owires to ordered nanostructures / N. Bao, L. Shen, G. Srinivasan et al. // J. Phys. Chem. C. 2008. Vol. 112. Iss. 23. P. 8634-8642. https://doi.org/10.1021/jp802055a
2. Fingerprints of relaxor ferroelectrics: Characteristic hierarchical domain configurations and quantitative performances / J. Bian, P. Xue, R. Zhu et al. // Applied Materials Today. 2020. Vol. 21. Art. No. 100789. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100789
3. Briscoe J., Dunn S. Piezoelectric nanogenerators - a review of nanostructured piezoelectric energy harvesters // Nano Energy. 2015. Vol. 14. P. 15-29. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.11.059
4. Enhancement of pyroelectric catalysis of ferroelectric BaTiO3 crystal: The action mechanism of electric poling / L. Chen, H. Li, Z. Wu et al. // Ceramics International. 2020. Vol. 46. Iss. 10B. P. 16763-16769. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.252
5. Gannepalli A., Yablon D. G., Tsou A. H., Proksch R. Mapping nanoscale elasticity and dissipation using dual frequency contact resonance AFM // Nanotechnology. 2011. Vol. 22. No. 35. Art. No. 355705. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/35/355705
6. Effects of final annealing in oxygen on characteristics of BaTiO3 thin films for resistance random access memory / S. Hashimoto, T. Sugie, Z. Zhang et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2015. Vol. 54. No. 10S. Art. ID: 10NA12. https://doi.org/10.7567/JJAP.54.10NA12
7. Hayashi H., Nakamura T., Ebina T. In-situ Raman spectroscopy of BaTiO3 particles for tetragonal-cubic transformation // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2013. Vol. 74. Iss. 7. P. 957-962. https://doi.org/10.1016/jjpcs.2013.02.010
8. Strategies to achieve high performance piezoelectric nanogenerators / D. Hu, M. Yao, Y. Fan et al. // Nano Energy. 2019. Vol. 55. P. 288-304. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.053
9. Large piezoelectric strain in sub-10 nanometer two-dimensional polyvinylidene fluoride nanoflakes / N. Hussain, M.-H. Zhang, Q. Zhang et al. // ACS Nano. 2019. Vol. 13. Iss. 4. P. 4496-4506. https://doi.org/ 10.1021/acsnano.9b00104
10. Piezoelectric energy conversion by lead-free perovskite BaTiO3 nanotube arrays fabricated using electrochemical anodization / C. K. Jeong, J. H. Lee, D. Y. Hyeon et al. // Applied Surface Science. 2020. Vol. 512. Art. ID: 144784. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144784
11. Interplay between size, composition, and phase transition of nanocrystalline Cr3+-doped BaTiO3 as a path to multiferroism in perovskite-type oxides / L. Ju, T. Sabergharesou, K. G. Stamplecoskie et al. // J. Am. Chem. Soc. 2012. Vol. 134. Iss. 2. P. 1136-1146. https://doi.org/10.1021/ja2091678
12. Kaya i. C., Kalem V., Akyildiz H. Hydrothermal synthesis of pseudocubic BaTiO3 nanoparticles using TiO2 nanofibers: Study on photocatalytic and dielectric properties // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2019. Vol. 16. Iss. 4. P. 1557-1569. https://doi.org/10.1111/ijac.13225
13. Hydrothermal synthesis and characterization of nanorods of various titanates and titanium dioxide / Yu. V. Kolen'ko, K. A. Kovnir, A. I. Gavrilov et al. // Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. Iss. 9. P. 4030-4038. https://doi.org/10.1021/jp055687u
14. Kulek J., Szafraniak I., Hilczer B., Polomska M. Dielectric and pyroelectric response of PVDF loaded with BaTiO3 obtained by mechanosynthesis // Journal of Non-Crystalline Solids. 2007. Vol. 353. Iss. 47-51. P. 4448-4452. https://doi.org/10.1016/jjnoncrysol.2007.02.077
15. Piezoresponse force microscopy studies on the domain structures and local switching behavior of Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals / Q. Li, Y. Liu, R. L. Withers et al. // Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 112. Iss. 5. Art. No. 052006. https://doi.org/10.1063/L4745979
16. BaTiO3-based multilayers with outstanding energy storage performance for high temperature capacitor applications / W.-B. Li, D. Zhou, R. Xu et al. // ACS Appl. Energy Mater. 2019. Vol. 2. Iss. 8. P. 5499-5506. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b00664
17. Large and electric field tunable superelasticity in BaTiO3 crystals predicted by an incremental domain switching criterion / Y. W. Li, X B. Ren, F. X Li et al. // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. Iss. 9. Art. No. 092905. https://doi.org/10.1063/L4795330
18. Effect of BaTiO3 on the sensing properties of PVDF composite-based capacitive humidity sensors / S. Mallick, Z. Ahmad, K. W. Qadir et al. // Ceramics International. 2020. Vol. 46. Iss. 3. P. 2949-2953. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.291
19. Qian W., Wu H., Yang Y. Ferroelectric BaTiO3 based multi-effects coupled materials and devices // Adv. Electron. Mater. 2022. Vol. 8. Iss. 10. Art. No. 2200190. https://doi.org/10.1002/aelm.202200190
20. Sabry R. S., Hussein A. D. PVDF: ZnO/BaTiO3 as high out-put piezoelectric nanogenerator // Polymer Testing. 2019. Vol. 79. Art. No. 106001. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.106001
21. Shiratori Y., Pithan C., Dornseiffer J., Waser R. Raman scattering studies on nanocrystalline BaTiO3. Part 1: Isolated particles and aggregates // Journal of Raman Spectroscopy. 2007. Vol. 38. Iss. 10. P. 1288-1299. https://doi.org/10.1002/jrs. 1764
22. Enhanced energy harvesting ability of polydimethylsiloxane-BaTiO3-based flexible piezoelectric nanogenerator for tactile imitation application / H. Su, X. Wang, C. Li et al. // Nano Energy. 2021. Vol. 83. Art. ID: 105809. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105809
23. Hydrothermal synthesis of barium titanate nano/microrods and particle agglomerates using a sodium ti-tanate precursor / R. A. Surmenev, R. V. Chernozem, A. G. Skirtach et al. // Ceramics International. 2021. Vol. 47. Iss. 7A. P. 8904-8914. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.12.011
24. Ultrathin BaTiO3 nanowires with high aspect ratio: A simple one-step hydrothermal synthesis and their strong microwave absorption / J. Yang, J. Zhang, C. Liang et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. Vol. 5. Iss. 15. P. 7146-7151. https://doi.org/10.1021/am4014506
25. Characterizing and optimizing piezoelectric response of ZnO nanowire/PMMA composite-based sensor / X. Zhang, J. Villafuerte, V. Consonni et al. // Nanomaterials. 2021. Vol. 11. Iss. 7. Art. No. 1712. https://doi.org/10.3390/nano11071712
26. Zheng Q., Tang Q., Wang Z. L., Li Z. Self-powered cardiovascular electronic devices and systems // Nat. Rev. Cardiol. 2021. Vol. 18. No. 1. P. 7-21. https://doi.org/10.1038/s41569-020-0426-4
27. Zhou Z., Tang H., Sodano H. A. Vertically aligned arrays of BaTiO3 nanowires // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. Vol. 5. Iss. 22. P. 11894-11899. https://doi.org/10.1021/am403587q
28. Muralt P. Micromachined infrared detectors based on pyroelectric thin films // Electroceramic-based MEMS / ed. N. Setter. Boston, MA: Springer, 2005. P. 81-113. https://doi.org/10.1007/0-387-23319-9_5
29. Внутреннее поле и самополяризация в тонких пленках цирконата-титаната свинца /
B. В. Осипов, Д. А. Киселев, Е. Ю. Каптелов и др. // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 9.
C. 1748-1754.
Статья поступила в редакцию 16.11.2022 г.; одобрена после рецензирования 06.12.2022 г.;
принята к публикации 06.02.2023 г.
Информация об авторах
Тарасов Андрей Михайлович - аспирант Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), u123168@edu.miet.ru
Дубков Сергей Владимирович - кандидат технических наук, доцент Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), sv.dubkov@gmail. com
Ву Ван Зунг - магистрант Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), vandungph2605@gmail.com
Киселев Дмитрий Александрович - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией физики оксидных сегнетоэлектриков Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Россия, 119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1), dm.kiselev@misis.ru
Сиротина Анна Петровна - кандидат химических наук, научный сотрудник отдела разработок и исследования микро- и наносистем Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А), ansipe@mail.ru
Волкова Лидия Сергеевна - младший научный сотрудник отдела структурного анализа и метрологии Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 199334, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А), lidiya.volkova.96@mail.ru
Рязанов Роман Михайлович - инженер Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), r.m.ryazanov@gmail .com
Громов Дмитрий Геннадьевич - доктор технических наук, профессор Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), старший научный сотрудник Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова Минздрава России (Россия, 119435, г. Москва, ул. Большая Пироговская, 2, стр. 4), gromadima@gmail.com
References
1. Bao N., Shen L., Srinivasan G., Yanagisawa K., Gupta A. Shape-controlled monocrystalline ferroelectric barium titanate nanostructures: From nanotubes and nanowires to ordered nanostructures. J. Phys. Chem. C, 2008, vol. 112, iss. 23, pp. 8634-8642. https://doi.org/10.1021/jp802055a
2. Bian J., Xue P., Zhu R., Wang L., Yang B., Li T., Hu Q., Shen L., Wang J., Lu G., Yang Y. Fingerprints of relaxor ferroelectrics: Characteristic hierarchical domain configurations and quantitative performances. Applied Materials Today, 2020, vol. 21, art. no. 100789. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100789
3. Briscoe J., Dunn S. Piezoelectric nanogenerators - a review of nanostructured piezoelectric energy harvesters. Nano Energy, 2015, vol. 14, pp. 15-29. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.11.059
4. Chen L., Li H., Wu Z., Feng L., Yu S., Zhang H., Gao J., Mai Y.-W., Jia Y. Enhancement of pyroelectric catalysis of ferroelectric BaTiO3 crystal: The action mechanism of electric poling. Ceramics International, 2020, vol. 46, iss. 10B, pp. 16763-16769. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.252
5. Gannepalli A., Yablon D. G., Tsou A. H., Proksch R. Mapping nanoscale elasticity and dissipation using dual frequency contact resonance AFM. Nanotechnology, 2011, vol. 22, no. 35, art. no. 355705. https://doi.org/ 10.1088/0957-4484/22/35/355705
6. Hashimoto S., Sugie T., Zhang Z., Yamashita K., Noda M. Effects of final annealing in oxygen on characteristics of BaTiO3 thin films for resistance random access memory. Jpn. J. Appl. Phys., 2015, vol. 54, no. 10S, art. ID: 10NA12. https://doi.org/10.7567/JJAP.54.10NA12
7. Hayashi H., Nakamura T., Ebina T. In-situ Raman spectroscopy of BaTiO3 particles for tetragonal-cubic transformation. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2013, vol. 74, iss. 7, pp. 957-962. https://doi.org/10.1016/jjpcs.2013.02.010
8. Hu D., Yao M., Fan Y., Ma C., Fan M., Liu M. Strategies to achieve high performance piezoelectric nanogenerators. Nano Energy, 2019, vol. 55, pp. 288-304. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.053
9. Hussain N., Zhang M.-H., Zhang Q., Zhou Z., Xu X., Murtaza M., Zhang R., Wei H., Ou G., Wang D. et al. Large piezoelectric strain in sub-10 nanometer two-dimensional polyvinylidene fluoride nanoflakes. ACS Nano, 2019, vol. 13, iss. 4, pp. 4496-4506. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00104
10. Jeong C. K., Lee J. H., Hyeon D. Y., Kim Y., Kim S., Baek C., Lee G.-J., Lee M.-K., Park J.-J., Park K.-I. Piezoelectric energy conversion by lead-free perovskite BaTiO3 nanotube arrays fabricated using electrochemical anodization. Applied Surface Science, 2020, vol. 512, art. ID: 144784. https://doi.org/10.1016/ j.apsusc.2019.144784
11. Ju L., Sabergharesou T., Stamplecoskie K. G., Hegde M., Wang T., Combe N. A., Wu H., Radovanovic P. V. Interplay between size, composition, and phase transition of nanocrystalline Cr3+-doped BaTiO3 as a path to multiferroism in perovskite-type oxides. J. Am. Chem. Soc., 2012, vol. 134, iss. 2, pp. 1136-1146. https://doi.org/
10.1021/ja2091678
12. Kaya 1. C., Kalem V., Akyildiz H. Hydrothermal synthesis of pseudocubic BaTiO3 nanoparticles using TiO2 nanofibers: Study on photocatalytic and dielectric properties. Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2019, vol. 16, iss. 4, pp. 1557-1569. https://doi.org/10.1111/ijac.13225
13. Kolen'ko Yu. V., Kovnir K. A., Gavrilov A. I., Garshev A. V., Frantti J., Lebedev O. I., Churagulov B. R., Van Tendeloo G., Yoshimura M. Hydrothermal synthesis and characterization of nanorods of various titanates and titanium dioxide. J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, iss. 9, pp. 4030-4038. https://doi.org/10.1021/jp055687u
14. Kulek J., Szafraniak I., Hilczer B., Polomska M. Dielectric and pyroelectric response of PVDF loaded with BaTiO3 obtained by mechanosynthesis. Journal of Non-Crystalline Solids, 2007, vol. 353, iss. 47-51, pp. 4448-4452. https://doi.org/10.1016/jjnoncrysol.2007.02.077
15. Li Q., Liu Y., Withers R. L., Wan Y., Li Z., Xu Z. Piezoresponse force microscopy studies on the domain structures and local switching behavior of Pb(Ini/2Nbi/2)O3-Pb(Mgi/3Nb2/3)O3-PbTiO3 single crystals. Journal of Applied Physics, 2012, vol. 112, iss. 5, art. no. 052006. https://doi.org/10.1063/L4745979
16. Li W.-B., Zhou D., Xu R., Wang D.-W., Su J.-Z., Pang L.-X., Liu W.-F., Chen G.-H. BaTiO3-based multilayers with outstanding energy storage performance for high temperature capacitor applications. ACS Appl. Energy Mater., 2019, vol. 2, iss. 8, pp. 5499-5506. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b00664
17. Li Y. W., Ren X. B., Li F. X., Luo H. S., Fang D. N. Large and electric field tunable superelasticity in BaTiO3 crystals predicted by an incremental domain switching criterion. Appl. Phys. Lett., 2013, vol. 102, iss. 9, art. no. 092905. https://doi.org/10.1063/L4795330
18. Mallick S., Ahmad Z., Qadir K. W., Rehman A., Shakoor R. A., Touati F., Al-Muhtaseb S. A. Effect of BaTiO3 on the sensing properties of PVDF composite-based capacitive humidity sensors. Ceramics International, 2020, vol. 46, iss. 3, pp. 2949-2953. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.291
19. Qian W., Wu H., Yang Y. Ferroelectric BaTiO3 based multi-effects coupled materials and devices. Adv. Electron. Mater., 2022, vol. 8, iss. 10, art. no. 2200190. https://doi.org/10.1002/aelm.202200190
20. Sabry R. S., Hussein A. D. PVDF: ZnO/BaTiO3 as high out-put piezoelectric nanogenerator. Polymer Testing, 2019, vol. 79, art. no. 106001. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.106001
21. Shiratori Y., Pithan C., Dornseiffer J., Waser R. Raman scattering studies on nanocrystalline BaTiO3. Part 1. Isolated particles and aggregates. Journal of Raman Spectroscopy, 2007, vol. 38, iss. 10, pp. 1288-1299. https://doi.org/10.1002/jrs. 1764
22. Su H., Wang X., Li C., Wang Z., Wu Y., Zhang J., Zhang Y., Zhao C., Wu J., Zheng H. Enhanced energy harvesting ability of polydimethylsiloxane-BaTiO3-based flexible piezoelectric nanogenerator for tactile imitation application. Nano Energy, 2021, vol. 83, art. ID: 105809. https://doi.org/10.1016/ j.nanoen.2021.105809
23. Surmenev R. A., Chernozem R. V., Skirtach A. G., Bekareva A. S., Leonova L. A., Mathur S., Ivanov Yu. F., Surmeneva M. A. Hydrothermal synthesis of barium titanate nano/microrods and particle agglomerates using a sodium titanate precursor. Ceramics International, 2021, vol. 47, iss. 7A, pp. 8904-8914. https://doi.org/10.1016/j .ceramint.2020.12.011
24. Yang J., Zhang J., Liang C., Wang M., Zhao P., Liu M., Liu J., Che R. Ultrathin BaTiO3 nanowires with high aspect ratio: A simple one-step hydrothermal synthesis and their strong microwave absorption. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, vol. 5, iss. 15, pp. 7146-7151. https://doi.org/10.1021/am4014506
25. Zhang X., Villafuerte J., Consonni V., Capsal J.-F., Cottinet P.-J., Petit L., Le M.-Q. Characterizing and optimizing piezoelectric response of ZnO nanowire/PMMA composite-based sensor. Nanomaterials, 2021, vol. 11, iss. 7, art. no. 1712. https://doi.org/10.3390/nano11071712
26. Zheng Q., Tang Q., Wang Z. L., Li Z. Self-powered cardiovascular electronic devices and systems. Nat. Rev. Cardiol., 2021, vol. 18, no. 1, pp. 7-21. https://doi.org/10.1038/s41569-020-0426-4
27. Zhou Z., Tang H., Sodano H. A. Vertically aligned arrays of BaTiO3 nanowires. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, vol. 5, iss. 22, pp. 11894-11899. https://doi.org/10.1021/am403587q
28. Muralt P. Micromachined infrared detectors based on pyroelectric thin films. Electroceramic-based MEMS, ed. N. Setter. Boston, MA, Springer, 2005, pp. 81-113. https://doi.org/10.1007/0-387-23319-9_5
29. Osipov V. V., Kiselev D. A., Kaptelov E. Yu., Senkevich S. V., Pronin I. P. Internal field and self-polarization in lead zirconate-titanate thin films. Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, iss. 9, pp. 1793-1799. https://doi.org/10.1134/S1063783415090267
The article was submitted 16.11.2022; approved after reviewing 06.12.2022;
accepted for publication 06.02.2023.
Information about the authors
Andrey M. Tarasov - PhD student of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), u123168@edu.miet.ru
Sergey V. Dubkov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), sv.dubkov@gmail.com
Zung Vu Van - Master's degree student of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), vandungph2605@gmail.com
Dmitry A. Kiselev - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Physics of Oxide Ferroelec-trics Laboratory, National Research Technological University "MISiS" (Russia, 119049, Moscow, Leninsky ave., 4), dm.kiselev@misis
Anna P. Sirotina - Cand. Sci. (Chem.), Scientific Researcher of the Development and Research of Micro- and Nanosystems Department, Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 199334, Moscow, Leninsky ave., 32A), ansipe@mail.ru
Lidiya S. Volkova - Junior Scientific Researcher of the Structural Analysis and Metrology Department, Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 199334, Moscow, Leninsky ave., 32A), lidiya.volkova.96@mail.ru
Roman M. Ryazanov - Engineer of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Junior Scientific Researcher of the Research Laboratory of Advanced Processes, SMC "Technological Centre" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), r.m.ryazanov@gmail.com
Dmitry G. Gromov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Senior Scientific Researcher, I. M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation (Russia, 119435, Moscow Bolshaya Pirogovskaya st., 2, bld. 4), gromadima@gmail .com
\ Уважаемые авторы и читатели!
Вышел в свет журнал
RUSSIAN MICROELECTRONICS
Vol. 51, No. 7, 2022. - ISSN PRINT: 1063-7397,
IBM ISSN ONLINE: 1608-3415, в котором опубликован ы избранные статьи
-■"■rr-y.=——
2 г', m«i MlVM журнала «Известия вузов. Электроника».
http://pleiades.online http://Iink.springer.com
4 J
