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研究生： 江珮儀
Pei-Yi Chiang
論文名稱： 以二氧化鈦為前驅物利用水熱法 合成鈦酸鋇粒子之研究
Hydrothermal Synthesis of Barium Titanate with Titanium Oxide as Precursor
指導教授： 江慧真
Hui-Jean Chiang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱：
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 71
中文關鍵詞： 鈦酸鋇 、二氧化鈦 、水熱法 、填充度
外文關鍵詞： Titanate Oxide, degree of fill
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    • 本論文以TiO2為前驅物、Ba(OH)2‧8H2O或Ba(NO3)2為鋇源、NaOH為鹼源，以水熱法於溫度220℃下反應、持溫48小時，以合成鈦酸鋇粒子。探討NaOH濃度(1~10M)、填充率(50~80%)及鋇源對鈦酸鋇產物的晶相及粒徑的影響。
    研究結果顯示，當NaOH濃度低於3M時，產物為非晶形且具有雜質的顆粒；NaOH濃度高於7M時則會生成副產物而使產物純度降低。以Ba(OH)2‧8H2O為起始物的產物粒子，可能具有OH–基的晶格缺陷而影響其物理性質。填充率高於60%時，產物為粒子較大、四方相含量較低的粒子。控制NaOH濃度於4~6M、填充率接近60%時，可得到平均粒徑較小、四方性較佳的鈦酸鋇粒子。
    以NaOH濃度為4~5M、填充率60%、Ba(NO3)2及TiO2為起始物進行反應，可得到平均粒徑約為150nm的四方晶鈦酸鋇粒子。

    In this research, TiO2 was chosen as precursor, Ba(OH)2‧8H2O or Ba(NO3)2 as Ba2+ source and NaOH as alkali source to proceed hydrothermal synthesis of barium titanate at 220℃for 48 hours. The effect of NaOH concentration from 1 to 10M, the degree of fill of autoclave container from 50% to 80% and different Ba2+ ion source were all investigated for the influence on crystal phase and particle size of BaTiO3 product.
    The investigate results that an amorphous product with impurities was obtained as NaOH concentration below 3M, and that the purity of product decreased with the formation of by-products as NaOH concentration above 7M. Barium titanate particles synthesized from Ba(OH)2‧8H2O was found to have a probability of containing lattice defect of OH– which would influence their physical properties. The products with larger size and lower tetragonality was obtained as the degree of fill above 60%. By adjusting NaOH concentration between 4~6M and the degree of fill close to 60%, Barium titanate particles with smaller average size and better tetragonality could be obtained.
    The preferred tetragonal barium titanate particles with average size about 150nm could be synthesized from Ba(NO3)2 and TiO2 as precursor with NaOH concentration between 4~5M and the degree of fill of 60%.

    目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 謝誌 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 鈦酸鋇的結構及基本性質 2 1-3 介電、鐵電與壓電 4 1-3-1 介電性與鐵電體 4 1-3-2 鐵電體與電滯曲線 6 1-3-3 壓電材料 10 1-4 鈦酸鋇的合成方法 13 1-4-1 固相反應法 13 1-4-2 化學沉澱法 13 1-4-3 噴霧法 13 1-4-4 溶膠-凝膠法 14 1-4-5 水熱法 15 1-5 鈦酸鋇水熱反應機制與文獻探討 17 1-5-1 鈦酸鋇水熱反應機制 17 1-5-2 水熱法合成鈦酸鋇的文獻探討 19 第二章 實驗 22 2-1 實驗試劑及器材 22 2-1-1 實驗藥品 22 2-1-2 實驗器材及分析儀器 22 2-2 實驗流程 23 2-3 儀器分析鑑定 25 2-3-1 粉末繞射晶相鑑定 25 2-3-2 拉曼光譜儀分析 25 2-3-3 顯微影像分析 25 2-4 光譜分析原理 26 2-4-1 X光繞射分析 26 2-4-2 拉曼光譜分析 27 第三章 結果與討論 31 3-1 NaOH濃度對鈦酸鋇晶粒成長的影響 31 3-1-1 XRD粉末晶相分析 31 3-1-2 拉曼光譜分析 33 3-1-3 顯微影像分析 34 3-1-4 分析結果探討 36 3-2 填充度對鈦酸鋇晶粒成長的影響 39 3-2-1 XRD粉末晶相分析 39 3-2-2 拉曼光譜分析 39 3-2-3 顯微影像分析 40 3-2-4 分析結果探討 40 3-3 以最適化條件合成鈦酸鋇 42 3-4 鈦酸鋇晶粒成長的影響因素 43 第四章 結論 47 參考文獻 68 表 目 錄 表1-1 晶格點群的分類 7 表2-1 本實驗所使用藥品總表 22 圖 目 錄 圖1-1 鈦酸鋇的順電-鐵電相結構變化 3 圖1-2 鈦酸鋇的晶格結構隨溫度之變化 3 圖1-3 各種極化機制示意圖 5 圖1-4 工作頻率對極化效應的影響 6 圖1-5 鐵電體內部的晶域及晶域壁 8 圖1-6 鐵電體的電滯曲線 9 圖1-7 順電性的P(ξ)線性關係 9 圖1-8 鈦酸鋇的電容率隨溫度變化之關係 10 圖1-9 壓電陶瓷在外加電場與應力下的極化作用改變 11 圖1-10 壓電-鐵電-介電體之關係圖 12 圖1-11 水熱法晶核成長機制 18 圖1-12 純水於不同填充度下之P-T圖 20 圖1-13 不同NaOH濃度之P-T圖 21 圖1-14 不同NaOH濃度及填充度下，液相佔總容積比例關係圖 21 圖2-1 實驗流程圖 24 圖2-2 立方晶鈦酸鋇的特徵峰及對應峰值 27 圖2-3 四方晶鈦酸鋇的特徵峰及對應峰值 27 圖2-4 不同前驅物所製備的鈦酸鋇及TiO2起始物之Raman光譜 29 圖2-5 碳酸鋇存在於鈦酸鋇產物中的Raman光譜示意圖 29 圖2-6 鈦酸鋇的Raman峰值在130cm-1的變化及放大圖 30 圖3-1 樣品NO-50%-1M的XRD分析數據 48 圖3-2 起始鋇源-硝酸鋇、填充度50%，不同濃度的XRD圖譜 48 圖3-3 起始鋇源-硝酸鋇、填充度60%，不同濃度的XRD圖譜 49 圖3-4 起始鋇源-氫氧化鋇、填充度60%，不同濃度的XRD圖譜 49 圖3-5 各組數據之四方晶含量與NaOH濃度之關係 50 圖3-6 起始鋇源-硝酸鋇、填充度50%，不同濃度的Raman圖譜 50 圖3-7 起始鋇源-硝酸鋇、填充度60%，不同濃度的Raman圖譜 51 圖3-8 起始鋇源-氫氧化鋇、填充度60%，不同濃度的Raman圖譜 51 圖3-9 起始鋇源-硝酸鋇、填充度50%，不同濃度的SEM影像 52 圖3-10 起始鋇源-硝酸鋇、填充度50%，不同濃度的粒徑分佈圖 53 圖3-11 起始鋇源-硝酸鋇、填充度60%，不同濃度的SEM影像 54 圖3-12 起始鋇源-硝酸鋇、填充度60%，不同濃度的粒徑分佈圖 55 圖3-13 起始鋇源-氫氧化鋇、填充度60%，不同濃度的SEM圖譜 56 圖3-14 起始鋇源-氫氧化鋇、填充度60%，不同濃度的粒徑分佈圖 57 圖3-15 NaOH濃度1~2M產物與TiO2起始物的SEM影像 58 圖3-16 與膜狀產物同時生成的粒子產物之圖譜 59 圖3-17 較高濃度NaOH時所得膜狀產物之圖譜 59 圖3-18 起始鋇源-硝酸鋇、不同填充度，濃度6M的XRD圖譜 60 圖3-19 起始鋇源-硝酸鋇、不同填充度，濃度8M的XRD圖譜 60 圖3-20 起始鋇源-硝酸鋇、不同填充度，濃度9M的XRD圖譜 61 圖3-21 起始鋇源-硝酸鋇、濃度6M，不同填充度的Raman圖譜 61 圖3-22 起始鋇源-硝酸鋇、濃度8M，不同填充度的Raman圖譜 62 圖3-23 起始鋇源-硝酸鋇、濃度9M，不同填充度的Raman圖譜 62 圖3-24 起始鋇源-硝酸鋇、濃度6M，不同填充度的SEM圖譜 63 圖3-25 起始鋇源-硝酸鋇、濃度6M，不同濃度的粒徑分佈圖 63 圖3-26 起始鋇源-硝酸鋇、濃度8M，不同填充度的SEM圖譜 64 圖3-27 起始鋇源-硝酸鋇、濃度8M，不同濃度的粒徑分佈圖 64 圖3-28 起始鋇源-硝酸鋇、濃度9M，不同填充度的SEM圖譜 65 圖3-29 起始鋇源-硝酸鋇、濃度9M，不同濃度的粒徑分佈圖 65 圖3-30 起始鈦源-OSACA二氧化鈦，NaOH濃度4~6M的XRD圖譜 66 圖3-31 起始鈦源-OSACA二氧化鈦，NaOH濃度4~6M的Raman圖譜 66 圖3-32 OSACA二氧化鈦與NaOH濃度4~6M產物的SEM影像 67 圖3-33 OSACA二氧化鈦與NaOH濃度4~6M產物的粒徑分佈圖 67

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