電子材料綜合實驗的探索與實踐

杜立飛, 杜 嫻

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

電子材料綜合實驗的探索與實踐

杜立飛, 杜 嫻

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

結(jié)合現(xiàn)有的科研條件在實驗教學中增加綜合性實驗內(nèi)容,開設(shè)研究性、探索性和創(chuàng)新性綜合實驗是材料專業(yè)人才培養(yǎng)目標的重要組成部分。以“鈦酸鉍水熱合成工藝研究”的設(shè)計實驗為例,具體闡述了在開放性、設(shè)計性實驗中,引導學生綜合運用所學理論知識設(shè)計實驗方案及實施手段的實驗教學模式。通過實驗訓練,加深學生對實驗的理解,提高其實驗技能及合作交流的能力。

實驗教學； 綜合實驗； 水熱法

無機非金屬材料科學主體上說是一門實驗科學,專業(yè)實驗在培養(yǎng)學生素質(zhì)、探索材料本質(zhì)、開發(fā)新材料和解決實際問題的綜合能力方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。電子材料綜合實驗是無機非金屬材料專業(yè)的一門基礎(chǔ)實驗課程,重點培養(yǎng)學生晶體學、電子材料、材料分析測試方法等多門課程的綜合應用與綜合設(shè)計的能力訓練,擔負著現(xiàn)代電子材料技術(shù)實驗教學體系結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)到創(chuàng)新過程的承上啟下的重要作用[4-6]。綜合實驗的實驗教學新模式對培養(yǎng)學生分析問題、解決問題以及創(chuàng)新能力有較大的促進作用[7]。綜合性研究型實驗是根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件,指定某種材料由學生根據(jù)所選擇的專題搜集閱讀文獻資料,在了解綜合文獻內(nèi)容的基礎(chǔ)上擬定實驗方案、完成實驗操作、整理分析實驗結(jié)果,最后撰寫出準論文形式的綜合實驗報告[8-9]。 針對電子材料制備技術(shù)日新月異的發(fā)展,將科研工作的新進展、國內(nèi)外相關(guān)研究的最新內(nèi)容及時補充到教學實驗中,使實驗具有前沿性和挑戰(zhàn)性,讓學生緊跟科技發(fā)展的步伐,掌握最新的實驗技能技術(shù)[10]。

選用了水熱法合成鈦酸鉍納米粉體[11-12]作為綜合研究型實驗,探討了礦化劑濃度、晶化溫度和反應時間對制備Bi4Ti3O12(BTO)粉體物相和形貌的影響。

1 實驗方案的設(shè)計

普通驗證性實驗可獨立完成,綜合實驗相對復雜,學生需分組后共同完成。本實驗將學生分成組,每組3～4人,每組的實驗過程和數(shù)據(jù)分析獨立完成,最后將數(shù)據(jù)匯總。通過這種形式讓學生親自操作、獨立思考、相互協(xié)作,深刻體會科研合作的重要性。

先按Bi4Ti3O12的化學計量比,稱取一定質(zhì)量的五水硝酸鉍Bi(NO3)3·5H2O,用冰醋酸作為溶劑。隨后

稱取一定量的Ti(OC4H9)4溶解于無水乙醇中,控制Ti(OC4H9)4與Bi(NO3)3·5H2O的摩爾比為3∶4,將Ti(OC4H9)4乙醇溶液加入上述Bi(NO3)3·5H2O醋酸溶液中,劇烈攪拌,得到澄清的溶液。然后加入無水乙醇形成透明溶膠；將溶膠置于烘箱中烘干,得到干凝膠。干凝膠研磨成粉末作為反應的前驅(qū)物,與一定溶度的NaOH溶液均勻混合之后加進高壓反應釜中,在一定反應溫度和時間內(nèi)使其充分合成后自然冷卻至室溫。將反應產(chǎn)物用去離子水反復洗滌至中性,80 ℃烘干,最終得BTO目標粉體。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化劑溶度的影響

圖1 不同礦化劑濃度下合成的BTO粉體的XRD圖譜

為了研究礦化劑濃度對合成鈦酸鉍粉體相組成、粒徑及形貌等性質(zhì)的影響,固定其他參數(shù)不變,水熱反應在200 ℃,反應時間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的礦化劑(NaOH)濃度的影響。從圖1可以看出,當?shù)V化劑濃度在2 mol/L以下時,粉體的結(jié)晶度較差,衍射峰不明顯。當?shù)V化劑濃度大于2 mol/L時,其產(chǎn)物的XRD衍射峰為Bi層狀相的Bi4Ti3O12,隨著礦化劑濃度的增加,衍射峰峰強增加,峰型越來越尖銳,產(chǎn)物的結(jié)晶性逐漸增強,說明礦化劑NaOH濃度的升高有利于粉體的合成。當?shù)V化劑濃度增大到5 mol/L時,峰強達到最大,繼續(xù)增加到6 mol/L,峰強下降。整體考慮,BTO合成最小礦化劑濃度值為2 mol/L。水熱法合成BTO粉體的最佳礦化劑濃度為5 mol/L。 圖2為不同礦化劑濃度下的BTO粉體的SEM照片。從圖中可以看到,相同條件下,礦化劑濃度的不同導致所得樣品形貌和大小存在顯著不同。當?shù)V化劑濃度為1 mol/L時,主要為無定形態(tài)物質(zhì),存在大量類凝膠狀物質(zhì)附著表面。這可能是由于礦化劑濃度過低,反應未進行徹底所致。隨著礦化劑濃度增大到2 mol/L時,產(chǎn)物呈現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)不完整,在球體表面存在少量碎片狀結(jié)構(gòu)。隨著礦化劑濃度繼續(xù)增加,可以明顯看到晶粒發(fā)育更加完善,晶粒形狀更加完整清晰,表面光滑。當?shù)V化劑濃度達到5 mol/L時,出現(xiàn)了大量球狀納米片花結(jié)構(gòu)。但是礦化劑濃度的增加對鈦酸鉍納米粉體生長的促進不是無限進行的,當?shù)V化劑濃度持續(xù)增加到6 mol/L時,可以觀察到納米片花結(jié)構(gòu)破壞,納米片破損,出現(xiàn)交聯(lián)現(xiàn)象。

圖2 不同礦化劑濃度下合成BTO粉體的SEM照片

2.2 反應時間的影響

為研究反應過程中時間對晶體結(jié)晶的影響,控制其他變量不變的條件下,僅改變反應時間,制備BTO粉體。圖3為不同反應時間下合成的BTO的XRD圖譜,可以看到隨著反應時間的延長,衍射峰強度增加,當時間增加到24 h時,峰強達到最高,繼續(xù)增加反應時間至36 h,峰強變化不大,持續(xù)增加到48 h,衍射峰強度稍有減弱。表明反應時間在晶體生長的不同時期體現(xiàn)不同作用,前期時間的增加有利于前驅(qū)體溶解形成的原子或分子生長基元,有助于粉體的結(jié)晶,當反應時間過長,晶粒重結(jié)晶,抑制晶體生長。

為了進一步研究反應時間對晶體生長的影響,對不同反應時間下的粉體進行SEM分析,如圖4所示。當水熱反應時間進行到8 h時晶體剛開始晶化,形成不規(guī)則的球形小顆粒,顆粒表面有少量片狀晶體。隨著反應時間增加到16 h時,出現(xiàn)大量片狀產(chǎn)物。隨著反應時間持續(xù)增加晶體生長完全,產(chǎn)物呈片花球狀結(jié)構(gòu)。當時間繼續(xù)增加至48 h,片花球狀明顯碎化、納米片大小不一、厚度增加,且出現(xiàn)相互堆疊現(xiàn)象。

圖3 不同反應時間下合成BTO 粉體的XRD圖譜

圖4 不同反應時間下合成BTO粉體的SEM照片

2.3 反應溫度的影響

在水熱反應中,水熱溫度的增加為前驅(qū)體溶解形成生長基元提供能量,同時有助于提高體系中分子或原子的擴散遷移能力,從而有助于粉體的結(jié)晶。圖5為不同反應溫度下制備得到的BTO的XRD譜圖。從圖5可以看出,當反應溫度為140 ℃時,鈦酸鉍的特征峰出現(xiàn),但是衍射峰強度十分低,結(jié)晶化程度低。隨著反應溫度增加,峰強增加,結(jié)晶度增加。當反應溫度為200 ℃時峰值達到最大,峰形最尖銳,說明BTO納米粉體在此溫度下完成了成核生長的全過程。相比于其他工藝,此方法在很大程度上降低了合成溫度,具有節(jié)能減排的優(yōu)點

圖5 不同水熱溫度下合成BTO粉體的XRD圖譜

。

為了進一步探究水熱溫度對BTO粉體的影響,對不同反應溫度得到的粉體進行紅外測試,結(jié)果如圖6所示。在3 000—3 500 cm-1處存在明顯的吸收峰,這是由于H2O的O—H鍵伸縮振動引起的；在1 650cm-1是C=O的吸收峰,可能是前驅(qū)物中還存在碳的氧化物；1 380 cm-1處是N—O鍵的振動峰,可能為前驅(qū)物反應物Bi(NO3)3中殘留的NO3-；1 150 cm-1處是C—H鍵的伸縮振動峰,說明反應完的粉體中還殘留有機物引起的；低波段600 cm-1和815 cm-1對應的是Ti—O鍵和Bi—O鍵的伸縮振動,說明BTO的結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。隨著水熱溫度的升高,粉末紅外譜圖中CO、N—O、C—H的特征吸收峰減弱,而Bi—O和Ti—O的特征峰突出,說明水熱溫度的升高有利于鈦酸鉍晶體的晶化以及雜質(zhì)的去除。

圖6 不同反應溫度合成粉體的紅外光譜圖

3 結(jié)語

水熱法制備BTO的電子材料的綜合實驗方法充分體現(xiàn)了課程采用現(xiàn)代分析測試手段,以教師施教為輔、學生獨立完成為主的教學模式,從設(shè)計的初步感性認識到深入研究,使學生熟練地掌握實驗方法及測試分析,為創(chuàng)新人才培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。綜合實驗使用水熱法合成BTO納米材料,探討最優(yōu)合成工藝,完成了鈦酸鉍粉體的形貌可控研究。至今有2屆本科生進行了實驗,得到了學生廣泛的歡迎和認同,實驗效果良好。把科研工作的新進展及時補充到實驗教學中,使教學內(nèi)容得到補充和更新,具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性,將學生置于一個材料研究工作者的地位研究科研課題,使學生從中得到創(chuàng)新思維的訓練。

References)

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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

國家自然科學基金項目( 51372197)；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊(2014KCT-04)

杜立飛(1984—),男,河北石家莊,博士,講師,主要從事無機非金屬材料的研究及實驗教學工作.

E-mail：dulifei@xust.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)07-0203-04