[发明专利]一种钛酸铋钠纳米管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛酸铋钠纳米管及其制备方法。所述钛酸铋钠纳米管具有条纹畴结构，所述条纹畴沿钛酸铋钠纳米管的长度方向交替排列，所述条纹畴的宽度为10‑50nm。规律条纹畴结构可有效地提高钛酸铋钠纳米管的压电系数，其高压电系数接近含铅的钙钛矿型材料。其制备方法，包括以下步骤：(1)配制钛酸铋钠前驱体溶液(2)抽旋法合成钛酸铋钠纳米管。所述方法可简单地制备尺寸可控和均匀壁厚的钛酸铋钠纳米管阵列。

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋钠纳米管及其制备方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

一维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、能量收集器等领域存在着广泛的应用前景。随着绿色环保的发展理念提出和微电子工业集成化的快速发展，一维无铅压电材料的制备和应用研究逐渐成为科学界的关注热点。制备一维无铅压电材料不仅仅是观测其结构，而更重要在于其性能研究和器件应用，因此制备方法的探究也是一项重大挑战。目前常见的一维无铅压电材料有：纳米线、纳米纤维、纳米管等。形貌结构是影响一维无铅压电材料压电性能的主要因素之一，在观测压电响应时，相比于纳米线和纳米纤维，均匀壁厚的纳米管受到夹持效应的影响较小，进而有利于提高纳米管的压电系数。而目前制备一维无铅压电纳米管的方法主要有：水热法、静电纺丝法、模板法。在专利CN 106564942 A中采用水热法制备出钛酸盐纳米管，该制备方法存在工艺复杂和成本高等技术问题。在专利CN 105401260 A中采用静电纺丝法制备出钛酸锶纳米管，该制备方法存在设备和工艺较为复杂等技术问题。上述水热法和静电纺丝法制备纳米管的专利均存在壁厚不可精确控制、难以合成长度均一的缺点。而在模板法制备纳米管结构的过程中，采用填充溶胶的方式通常局限于：浸泡法、抽滤法、旋涂法。在专利CN101279767 A中采用浸泡法合成镧系稀土掺杂钛酸铋纳米管，制备时间约7h，制备时间较长；Habiballah A S等人用浸泡法制备了LSCF64纳米管阵列，制备时间约为24h，制备时间更长[Habiballah A S,Ismail I,Osman N,et al.La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF64)perovskite nanotubes via sol-gel template synthesis[C]//AIP ConferenceProceedings.AIP Publishing,2017,1885(1):020234.]；且浸泡法的驱动力仅仅是溶胶的自身重力和模板孔洞对溶胶的吸附力，它会导致溶胶填充模板的效率降低。因此该制备方法存在制备时间长、填充率低等技术问题。在专利CN 10376527 A中采用抽滤法制备出钼酸镧基纳米管阵列，Zhou D等人也用抽滤法制备了KNN纳米管阵列[Zhou D,Gu H,Hu Y,etal.Synthesis,characterization and ferroelectric properties of lead-freeK_0.5Na_0.5NbO₃ nanotube arrays[J].Journal of applied physics,2011,109(11):114104.]，但抽滤法因溶胶缺少指向模板内壁的离心力而使溶胶在退火过程中会出现纳米管壁厚不均一的现象，所以该制备方法存在不易控制壁厚等技术问题。在专利CN102093048中采用旋涂法制备出钙钛矿铁电纳米管阵列，Li Z等人也用旋涂法制备了PZT纳米管阵列[Li Z,Xu Z,Ma Z,et al.Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ nanotubes synthesis andinfrared absorption properties[J].Optical Materials,2016,51:171-174.]。旋涂法因溶胶缺少向下的负压力会引起溶胶填充模板的深度较小，从而导致制备出的纳米管长度较短，存在长径比小等技术问题。上述浸泡法、抽滤法以及旋涂法制备纳米管的专利和文献均存在没有给出纳米管压电系数而难以评估器件应用目的等技术问题。