Srpsko društvo za mikroskopiju Akademija medicinskih nauka,SLD

110

KATEDRA ZA INŽENJERSTVO MATERIJALA

Tehnološki fakultet, Univerzitet u Novom Sadu

Ispitivanje nanokristalnih titanatnih prahova pomoću elektronske mikroskopije

Vladimir V. Srdić1, Ljubica M. Nikolić1, Ružica R. Djenadić1, Marija Maletin1,

Nikolina Pavlović1, Nataša Bibić2, Konstantinos P. Giannakopoulos3, Miloš Bokorov4

1. UVOD Nanokristalni materijali, strukturno definisani kao materijali sa ultrafinim

česticama (veličine ispod 100 nm), predstavljaju osnovu novih pravaca razvoja, poznatijih kao nanonauke i nanotehnologije. Najvažnija pitanja vezana za razvoj nanokristalnih materijala su: (i) razvoj tehnika sinteze za dobijanje nanomaterijala poboljšanih osobina, (ii) karakterizacija strukture materijala primenom modernih tehnika analize, kao i (iii) utvrđivanje osobina dobijenih nanomaterijala i povezanost osobina sa nanostrukturom. Grupa za nove keramičke materijale (sa Katedre za inženjerstvo materijala na Tehnološkom fakultetu u Novom Sadu) je u tom pogledu razvila različite tehnike sinteze iz tečne faze za dobijanje nanokristalnih oksidnih prahova [1-3] i prevlaka [4], a koristeći različite tehnike za strukturnu karakterizaciju nanokristalnih materijala bavi se i ispitivanjem strukture na kristalografskom, mikrostrukturnom i lokalnom nivou. Još od samih početaka istraživanja u oblasti nanomaterijala, bila je jasna potreba za elektronskom mikroskopijom po pitanju ispitivanja materijala, a naročito za utvrđivanje veze između procesiranja materijala i njihove strukture. 2. REZULTATI

Feroelektrici na bazi titanata perovskitne strukture se široko koriste kao funkcionalna keramika. Dostignuća u oblasti elektronske industrije i trendovi minijaturizacije kroz razvoj nanosistema, dodatno su povećali interesovanja u ovoj oblasti. Dobijanje elektronskih komponenti sa poboljšanim osobinama usko je povezano sa procesiranjem, tj. sintezom superiornih titanatnih nanoprahova i dobijanjem guste nanokristalne keramike primenom adekvatnih tehnika oblikovanja i sinterovanja. Međutim, pored izbora odgovarajuće tehnike sinteze i procesnih parametara za dobijanje materijala željenih karakteristika, od izuzetnog značaja je i

1 Dept. inženjerstvo materijala, Tehnološki fakultet, Univerzitet u Novom Sadu, Srbija

2Laboratorija za atomsku fiziku, Institut Vinča, Beograd, Srbija 3Institut za nauku o materijalima, NCSR “Demokritos”, Atina, Grčka

4Departman za biologiju, PMF, Univerzitet u Novom Sadu, Srbija

Srpsko društvo za mikroskopiju Akademija medicinskih nauka,SLD

111

izbor odgovarajuće metode karakterizacije u cilju dobijanja preciznih i tačnih informacija u vezi sa njegovom strukturom.

Za određivanje srednje veličine čestica, kao i morfologije čestica, naročito kada se govori o nanomaterijalima, elektronska mikroskopija predstavlja univerzalnu metodu. Zahvaljujući različitim tehnikama snimanja (skening ili transmisiona mikroskopija, visoke ili niske rezolucije), moguće je proniknuti u različite strukturne forme. Olovo-titanatni nanoprah predstavlja idealan primer koji može ilustrovati sve prednosti elektronske mikroskopije.

Za sintezu PbTiO3 prahova korišćenja je sol-gel i hidrotermalna metoda, po proceduri koja je opisana ranije [1]. Prahovi su sintetisani na različitim reakcionim temperaturama. Pri sintezi prahova na 20oC i 80oC, dobijeni olovo-titanatni prahovi bili su potpuno amorfni. Međutim, pri hidrotermalnim uslovima na temperaturama iznad 135°C, u direktnoj sintezi, dobijeni su kristalni PbTiO3 prahovi.

a) b)

c)

Sl. 1. SEM mikrografi PbTiO3 praha sintetisani na 20°C/1h, pri različitim uvećanjima: a) 4.000x (SEM JEOL, 6460LV), b) 50.000x (SEM JEOL, 6460LV) and

c) 200.000x (HRSEM Philips XL 30 FEG)

Za ispitivanje strukture olovo-titanatnog praha sintetisanog na temperaturi od 20°C, korišćena je skening elektronska mikroskopija (SEM). SEM mikrograf malog uvećanja, prikazan na Sl. 1a, pokazuje da se sintetisan PbTiO3 prah sastoji od sfernih čestica sa prosečnom veličinom od oko 1 µm. Pri većem uvećanju (Sl. 1b), pokazalo se da ove čestice poseduju substrukture, tj. te čestice su aglomerati sastavljeni iz manjih

Srpsko društvo za mikroskopiju Akademija medicinskih nauka,SLD

112

Sl. 4. TEM mikrograf PbTiO3 praha

sintetisanog na 150oC/1h (Philips EM 400)

čestica, nanokristala. Veličina nanokristala, određena na osnovu SEM mikrografa visoke rezolucije, iznosi oko 20 nm.

Sl. 3. SEM mikrografi PbTiO3 praha sintetisani na 150oC/1h, pri različitim uvećanjima:

a) 15.000x and b) 50.000x (SEM JEOL, 6460LV)

Zavisno od uslova sinteze, olovo-titanatni prahovi mogu imati različitu morfologiju, počev od veoma malih sfernih čestica (Sl. 1), do aglomerata sa veličinom od nekoliko mikrometara (Sl. 2a), pa čak mogu da se jave i u formi platela (Sl. 2b). Prednost elektronskog mikroskopa lako se može uočiti na primeru olovo-titanatnog praha hidrotermalno sintetisanog na temperaturi od 150°C u trajanju od 1 sata. SEM mikrograf pri malom uvećanju (Sl. 2a) pokazuje da se prah sastoji od malih čestica koje su jako aglomerisane. Međutim, SEM mikrograf velikog uvećanja (Sl. 3) ukazuje na kompleksnu

a) b)

Sl. 2. SEM mikrografi PbTiO3 prahova sintetisani na 150oCu trajanju od: a) 1h i b) 3h (SEM JEOL, 6460LV)

Srpsko društvo za mikroskopiju Akademija medicinskih nauka,SLD

113

strukturu praha, koju čini veća količina jednodimenzi-onalnih (1D) nanostrukturnih elemenata koji pokrivaju celokupnu površinu titanatnih čestica. TEM slika niske rezolucije, prikazana na Sl. 4, potvrđuje prisustvo značajne količine 1D nanostruktura i ukazuje na moguće postojanje lamelarne strukture titania praha (oblast prikazana strelicom). Međutim, pri većoj rezoluciji (Sl. 5), postaje očigledno da ovi tanki slojevi nisu kristalni nego amorfni slojevi sa kristalnim vrlo finim česticama koje se nalaze na njihovoj površini [5]. Na ovaj način, uz pomoć elektronske mikroskopije, moguće je predvideti čak i mehanizam odgovoran za formiranje prikazanih 1D nanostruktura. Tačnije, tokom hidrotermalne sinteze, uvijanje tankih slojeva je fenomen koji je odgovoran za formiranje uočenih 1D nanostrukturnih formi. Prečnik jednodimenzionalnih nanostruktrnih elemenata kreće se u intervalu od ~5 do 10 nm, dok je dužina od nekoliko desetina do nekoliko stotina nanometara.

Sl. 5. TEM mikrografi PbTiO3 praha sintetisani na 150oC/1h (Philips CM 20 with High

Resolution and EDS capabilities) 3. ZAHVALNOST: Istraživanje je pomoglo Ministarstvo za nauku i zaštitu životne sredine Republike Srbije u okviru projekta “Synthesis of nanopowders and processing of ceramics and nanocomposites for application in novel technologies”, No. 142059. 4. LITERATURA [1] V.V. Srdić, R.R. Djenadić, J. Optoelectr. & Advanced Mater., 7 [6] (2005) 3005-

3011. [2] V.V. Srdić, M. Winterer, J. Euro. Ceram. Soc., 26 (2006) 3145-3151. [3] M. Maletin, Z. Cvejić, S. Rakić, Lj. Nikolić, V.V. Srdić, , Mater. Sci. Forum, 518

(2006) 91-94. [4] Lj. Nikolić, Lj. Radonjić i V.V. Srdić, Ceram. Inter., 31 (2005) 261-266. [5] R.R. Djenadić, Lj.M. Nikolić, K.P. Giannakopulos, B. Stojanović, V.V. Srdić, , J.

Euro. Ceram. Soc., submitted 2006.