[論文レビュー] Controlled growth of bismuth ferrite multiferroic flowers

B. Andrzejewski, Katarzyna Chybczyńska+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2014

Multiferroics and related materials参考文献 44被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、花びら状の形態をとるビスマスフェルルト（BiFeO3）ナノフラワーズの制御的合成を実現するマイクロ波支援水熱法を提示する。このプロセスにより、界面活性剤濃度と反応時間の調整によって、花びらサイズ（35–39 nm）を自在に制御でき、長時間処理により不純物が低減される。その結果、酸化状態が混合した鉄を含む多铁性ナノフラワーズが得られ、相純度が向上した。

ABSTRACT

This study reports on the synthesis of ball-like bismuth ferrite BiFeO3 nanoflowers by means of microwave assisted hydrothermal process and also on their composition and mechanism of growth. It turns out that the petals of the nanoflowers are composed of the nanocrystals with the size about 35-39 nm whereas their thickness and size depends on the concentration of surfactants. The petals contain BiFeO3 phase and traces of Bi2O3 oxide and metallic Bi and Fe deposited mainly at their surface. Amounts of impurity phases are more pronounced in nanoflowers synthesized during short time, and become almost negligible for longer microwave processing. The nanoflowers contain also mixed Fe valence, with the Fe2+/Fe3+ ratio depending on the time of synthesis. The growth and shape of the nanoflowers result from the process of diffusion in the initial stages of hydrothermal reaction.

研究の動機と目的

• ビスマスフェルルト（BiFeO3）ナノフラワーズの定義された形態を有する制御的合成経路の開発。
• 界面活性剤濃度および反応時間のナノフラワーズのサイズ、相組成、結晶性に及ぼす影響の調査。
• 水熱条件下におけるBiFeO3ナノフラワーズの成長メカニズムの理解。
• 不純物相（Bi2O3、金属ビスマス、鉄）の低減および最終生成物におけるFe2+/Fe3+比の制御。
• 応用に適した高度な機能性応用を想定した、相純度が高く多铁性を示すBiFeO3ナノ構造の実現。

提案手法

• 水溶液を前駆体として用い、マイクロ波支援水熱法を用いてBiFeO3ナノフラワーズを成長させた。
• ナノフラワーズの花びらサイズと形態を制御するために、界面活性剤濃度を体系的に変更した。
• 相組成および結晶性の時間的変化を調査するため、反応時間を調整した。
• 相組成および酸化状態の分析に、X線回折（XRD）およびX線光電子分光法（XPS）を用いた。
• 形態およびナノ結晶サイズの特徴付けに、走査型電子顕微鏡（SEM）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 初期水熱ステージにおける拡散制御動力学から、成長メカニズムを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面活性剤濃度は、BiFeO3ナノフラワーズのサイズおよび形態にどのように影響するか？
• RQ2 反応時間は、BiFeO3ナノフラワーズにおける不純物相の低減に果たす役割は何か？
• RQ3 合成時間の経過に伴いFe2+/Fe3+比はどのように変化するか？これは電子的性質にどのような含意を持つか？
• RQ4 花びら状ナノ構造の形成を引き起こす背後にある成長メカニズムは何か？
• RQ5 最適化された水熱処理によって、BiFeO3の相純度および結晶性はどの程度向上するか？

主な発見

• ナノフラワーズの花びらは、約35–39 nmのナノ結晶から構成され、界面活性剤濃度の調整により寸法を自在に制御可能である。
• 短時間合成では不純物相（Bi2O3、金属ビスマス、鉄）が顕著に認められるが、長時間マイクロ波処理によりほぼ無視できるほどに低減される。
• Fe2+/Fe3+比は合成時間に応じて変化し、成長過程における動的酸化還元反応を示している。
• 成長メカニズムは、水熱反応初期段階における拡散プロセスによって駆動されている。
• 最終生成物は、高い結晶性と多铁性を示すBiFeO3相を有しており、機能的応用に適している。
• 反応時間の延長に伴い、相純度および構造的品質が著しく向上し、長時間マイクロ波処理の有効性が確認された。