电子材料综合实验的探索与实践

杜立飞, 杜 娴

(西安科技大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 710054)

电子材料综合实验的探索与实践

杜立飞, 杜 娴

(西安科技大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 710054)

结合现有的科研条件在实验教学中增加综合性实验内容,开设研究性、探索性和创新性综合实验是材料专业人才培养目标的重要组成部分。以“钛酸铋水热合成工艺研究”的设计实验为例,具体阐述了在开放性、设计性实验中,引导学生综合运用所学理论知识设计实验方案及实施手段的实验教学模式。通过实验训练,加深学生对实验的理解,提高其实验技能及合作交流的能力。

实验教学； 综合实验； 水热法

无机非金属材料科学主体上说是一门实验科学,专业实验在培养学生素质、探索材料本质、开发新材料和解决实际问题的综合能力方面发挥着重要的作用[1-3]。电子材料综合实验是无机非金属材料专业的一门基础实验课程,重点培养学生晶体学、电子材料、材料分析测试方法等多门课程的综合应用与综合设计的能力训练,担负着现代电子材料技术实验教学体系结构由基础到创新过程的承上启下的重要作用[4-6]。综合实验的实验教学新模式对培养学生分析问题、解决问题以及创新能力有较大的促进作用[7]。综合性研究型实验是根据实验室现有条件,指定某种材料由学生根据所选择的专题搜集阅读文献资料,在了解综合文献内容的基础上拟定实验方案、完成实验操作、整理分析实验结果,最后撰写出准论文形式的综合实验报告[8-9]。 针对电子材料制备技术日新月异的发展,将科研工作的新进展、国内外相关研究的最新内容及时补充到教学实验中,使实验具有前沿性和挑战性,让学生紧跟科技发展的步伐,掌握最新的实验技能技术[10]。

选用了水热法合成钛酸铋纳米粉体[11-12]作为综合研究型实验,探讨了矿化剂浓度、晶化温度和反应时间对制备Bi4Ti3O12(BTO)粉体物相和形貌的影响。

1 实验方案的设计

普通验证性实验可独立完成,综合实验相对复杂,学生需分组后共同完成。本实验将学生分成组,每组3～4人,每组的实验过程和数据分析独立完成,最后将数据汇总。通过这种形式让学生亲自操作、独立思考、相互协作,深刻体会科研合作的重要性。

先按Bi4Ti3O12的化学计量比,称取一定质量的五水硝酸铋Bi(NO3)3·5H2O,用冰醋酸作为溶剂。随后

称取一定量的Ti(OC4H9)4溶解于无水乙醇中,控制Ti(OC4H9)4与Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为3∶4,将Ti(OC4H9)4乙醇溶液加入上述Bi(NO3)3·5H2O醋酸溶液中,剧烈搅拌,得到澄清的溶液。然后加入无水乙醇形成透明溶胶；将溶胶置于烘箱中烘干,得到干凝胶。干凝胶研磨成粉末作为反应的前驱物,与一定溶度的NaOH溶液均匀混合之后加进高压反应釜中,在一定反应温度和时间内使其充分合成后自然冷却至室温。将反应产物用去离子水反复洗涤至中性,80 ℃烘干,最终得BTO目标粉体。

2 结果与讨论

2.1 矿化剂溶度的影响

图1 不同矿化剂浓度下合成的BTO粉体的XRD图谱

为了研究矿化剂浓度对合成钛酸铋粉体相组成、粒径及形貌等性质的影响,固定其他参数不变,水热反应在200 ℃,反应时间24 h下探索在1 mol/L、2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L、5 mol/L和6 mol/L的矿化剂(NaOH)浓度的影响。从图1可以看出,当矿化剂浓度在2 mol/L以下时,粉体的结晶度较差,衍射峰不明显。当矿化剂浓度大于2 mol/L时,其产物的XRD衍射峰为Bi层状相的Bi4Ti3O12,随着矿化剂浓度的增加,衍射峰峰强增加,峰型越来越尖锐,产物的结晶性逐渐增强,说明矿化剂NaOH浓度的升高有利于粉体的合成。当矿化剂浓度增大到5 mol/L时,峰强达到最大,继续增加到6 mol/L,峰强下降。整体考虑,BTO合成最小矿化剂浓度值为2 mol/L。水热法合成BTO粉体的最佳矿化剂浓度为5 mol/L。 图2为不同矿化剂浓度下的BTO粉体的SEM照片。从图中可以看到,相同条件下,矿化剂浓度的不同导致所得样品形貌和大小存在显著不同。当矿化剂浓度为1 mol/L时,主要为无定形态物质,存在大量类凝胶状物质附着表面。这可能是由于矿化剂浓度过低,反应未进行彻底所致。随着矿化剂浓度增大到2 mol/L时,产物呈现球状结构,但其结构不完整,在球体表面存在少量碎片状结构。随着矿化剂浓度继续增加,可以明显看到晶粒发育更加完善,晶粒形状更加完整清晰,表面光滑。当矿化剂浓度达到5 mol/L时,出现了大量球状纳米片花结构。但是矿化剂浓度的增加对钛酸铋纳米粉体生长的促进不是无限进行的,当矿化剂浓度持续增加到6 mol/L时,可以观察到纳米片花结构破坏,纳米片破损,出现交联现象。

图2 不同矿化剂浓度下合成BTO粉体的SEM照片

2.2 反应时间的影响

为研究反应过程中时间对晶体结晶的影响,控制其他变量不变的条件下,仅改变反应时间,制备BTO粉体。图3为不同反应时间下合成的BTO的XRD图谱,可以看到随着反应时间的延长,衍射峰强度增加,当时间增加到24 h时,峰强达到最高,继续增加反应时间至36 h,峰强变化不大,持续增加到48 h,衍射峰强度稍有减弱。表明反应时间在晶体生长的不同时期体现不同作用,前期时间的增加有利于前驱体溶解形成的原子或分子生长基元,有助于粉体的结晶,当反应时间过长,晶粒重结晶,抑制晶体生长。

为了进一步研究反应时间对晶体生长的影响,对不同反应时间下的粉体进行SEM分析,如图4所示。当水热反应时间进行到8 h时晶体刚开始晶化,形成不规则的球形小颗粒,颗粒表面有少量片状晶体。随着反应时间增加到16 h时,出现大量片状产物。随着反应时间持续增加晶体生长完全,产物呈片花球状结构。当时间继续增加至48 h,片花球状明显碎化、纳米片大小不一、厚度增加,且出现相互堆叠现象。

图3 不同反应时间下合成BTO 粉体的XRD图谱

图4 不同反应时间下合成BTO粉体的SEM照片

2.3 反应温度的影响

在水热反应中,水热温度的增加为前驱体溶解形成生长基元提供能量,同时有助于提高体系中分子或原子的扩散迁移能力,从而有助于粉体的结晶。图5为不同反应温度下制备得到的BTO的XRD谱图。从图5可以看出,当反应温度为140 ℃时,钛酸铋的特征峰出现,但是衍射峰强度十分低,结晶化程度低。随着反应温度增加,峰强增加,结晶度增加。当反应温度为200 ℃时峰值达到最大,峰形最尖锐,说明BTO纳米粉体在此温度下完成了成核生长的全过程。相比于其他工艺,此方法在很大程度上降低了合成温度,具有节能减排的优点

图5 不同水热温度下合成BTO粉体的XRD图谱

。

为了进一步探究水热温度对BTO粉体的影响,对不同反应温度得到的粉体进行红外测试,结果如图6所示。在3 000—3 500 cm-1处存在明显的吸收峰,这是由于H2O的O—H键伸缩振动引起的；在1 650cm-1是C=O的吸收峰,可能是前驱物中还存在碳的氧化物；1 380 cm-1处是N—O键的振动峰,可能为前驱物反应物Bi(NO3)3中残留的NO3-；1 150 cm-1处是C—H键的伸缩振动峰,说明反应完的粉体中还残留有机物引起的；低波段600 cm-1和815 cm-1对应的是Ti—O键和Bi—O键的伸缩振动,说明BTO的结构已经形成。随着水热温度的升高,粉末红外谱图中CO、N—O、C—H的特征吸收峰减弱,而Bi—O和Ti—O的特征峰突出,说明水热温度的升高有利于钛酸铋晶体的晶化以及杂质的去除。

图6 不同反应温度合成粉体的红外光谱图

3 结语

水热法制备BTO的电子材料的综合实验方法充分体现了课程采用现代分析测试手段,以教师施教为辅、学生独立完成为主的教学模式,从设计的初步感性认识到深入研究,使学生熟练地掌握实验方法及测试分析,为创新人才培养打下坚实的基础。综合实验使用水热法合成BTO纳米材料,探讨最优合成工艺,完成了钛酸铋粉体的形貌可控研究。至今有2届本科生进行了实验,得到了学生广泛的欢迎和认同,实验效果良好。把科研工作的新进展及时补充到实验教学中,使教学内容得到补充和更新,具有挑战性和创新性,将学生置于一个材料研究工作者的地位研究科研课题,使学生从中得到创新思维的训练。

References)

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[3] 林枫,刘剑虹,王超会.无机非金属材料专业实验教学体系的整体优化[J].高师理科学刊,2007,27(1):96-98.

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[12] 王芳.Bi4Ti3O12铁电纳米材料的水热/溶剂热法可控合成及性能表征[D].湘潭:湘潭大学,2014.

Exploration and practice on comprehensive experiment of electronic materials

Du Lifei, Du Xian

(School of Materials Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

It is an important part of the talent training goal for the Materials specialty to combine the existing research conditions to increase the comprehensive experimental content in the experimental teaching and to set up the research-oriented,explorative and innovative experiments. By taking the design experiment of “Study on hydrothermal synthesis of bismuth titanate” as an example,the experimental teaching mode to guide the students to use comprehensively the theoretical knowledge to design the experimental scheme and implementation methods is described in detail. Through the experimental training,the students’ understanding of the experiment is deepened,and their experimental skills and ability of cooperation and communication are improved.

experimental teaching; comprehensive experiment; hydrothermal method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.053

2017-01-20

国家自然科学基金项目( 51372197)；陕西省重点科技创新团队(2014KCT-04)

杜立飞(1984—),男,河北石家庄,博士,讲师,主要从事无机非金属材料的研究及实验教学工作.

E-mail：dulifei@xust.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)07-0203-04