[論文レビュー] Microwave Assisted Synthesis and Characterization of Perovskite Oxides

Jesús Prado‐Gonjal, Rainer Schmidt+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Microwave-Assisted Synthesis and Applications参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、従来のセラミック法と比較して著しく時間とエネルギーを節約できるマイクロ波支援合成法を、ペロブスカイト酸化物に適用した。マイクロ波加熱のメカニズムをレビューし、合成の亜タイプを分類し、超伝導性、強磁性、電気双極性、誘電性、多フェロイック系を含む多様なペロブスカイト材料の合成に成功した。本手法の多様性と効率性が、無機材料研究分野において顕著に示された。

ABSTRACT

The use of microwave irradiation is a promising alternative heat source for the synthesis of inorganic materials such as perovskite oxides. The method offers massive energy and time savings as compared to the traditional ceramic method. In this work we review the basic principles of the microwave heating mechanism based on interactions between dipoles in the material and the electromagnetic microwave. Furthermore, we comment on and classify all different sub-types of microwave synthesis such as solid-state microwave and microwave assisted hydrothermal synthesis. In the experimental part of this work we present a large range of materials that were synthesized in our laboratories by one of the microwave techniques, where such materials include superconducting, ferromagnetic, ferroelectric, dielectric and multiferroic perovskite systems.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト酸化物の合成に、代替的かつエネルギー効率の良い熱源としてマイクロ波放射を評価すること。
• 固体状態および水熱的法を含む、マイクロ波合成の異なる亜タイプをレビューおよび分類すること。
• マイクロ波合成が広範なペロブスカイト酸化物系にわたって実現可能で多様性に富んでいることを実証すること。
• 多様な機能的特性を有するマイクロ波で合成されたペロブスカイトの包括的な実験的ベンチマークを提供すること。
• マイクロ波合成を、ペロブスカイト酸化物研究分野における従来のセラミック法の代替として、実用的かつスケーラブルな手法として確立すること。

提案手法

• 極性材料における双極子相互作用による誘電加熱を誘発するマイクロ波放射の利用。
• 溶媒を用いない酸化物前駆体からの直接的合成を可能にする固体状態マイクロ波合成の応用。
• 水溶液環境下での制御された結晶化を実現するマイクロ波支援水熱的合成の採用。
• X線回折、走査型電子顕微鏡（SEM）およびその他の標準的分析技術を用いた合成材料の体系的特性評価。
• 相純度および結晶性の観点から、マイクロ波で合成された酸化物と従来のセラミック法で得られた酸化物を比較すること。
• 超伝導性、強磁性、電気双極性、誘電性、多フェロイックペロブスカイトを含む、材料種別に基づく合成結果の分類。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイト酸化物の合成において、マイクロ波加熱は従来のセラミック法と比較して、時間的およびエネルギー的効率の点でどのように異なるか？
• RQ2 マイクロ波合成の明確な亜タイプは何か。それらはペロブスカイト材料への応用において、メカニズムおよび応用の観点でどのように異なるか？
• RQ3 マイクロ波合成は、多様な材料分類にわたって、相純度の高い機能性ペロブスカイト酸化物をどの程度まで生成可能か？
• RQ4 双極子相互作用は、無機酸化物におけるマイクロ波加熱メカニズムにおいて、どのように果たす役割を果たすか？
• RQ5 マイクロ波合成は、多フェロイックや超伝導体のような複雑なペロブスカイト系を信頼性高く生成できるか？

主な発見

• マイクロ波支援合成は、従来のセラミック法と比較して、著しく合成時間を短縮し、エネルギー消費を削減した。
• 本手法により、超伝導性、強磁性、電気双極性、誘電性、多フェロイック系を含む、複数の機能的カテゴリーの相純度の高いペロブスカイト酸化物が成功裏に合成された。
• マイクロ波加熱は、双極子緩和メカニズムを介して作用し、極性材料の急速かつ体積加熱を可能にした。
• 固体状態マイクロ波合成とマイクロ波支援水熱的合成の両方が有効であったが、材料および望ましい相に応じて、それぞれに明確な利点が存在した。
• 本研究では、マイクロ波合成が、機能酸化物合成のスケーラブルで多様性に富んだ代替手法であることが示された。産業界および学術分野への応用が期待される。
• 特性評価により、マイクロ波で合成されたペロブスカイトは、高い結晶性および相純度を示した。これは、従来法で得られたものと同等またはそれ以上の水準であった。