Deze fase is het eenvoudigst te beschrijven. Hij bestaat uit kubussen waarbij titaan-atomen op de hoekpunten zitten en zuurstofatomen langs de ribben de verbinding vormen met het titaan-atoom op een andere hoek. De Ba2+-ionen vormen het middelpunt van elk van de kubussen.
Al deze vormen vertonen ferro-elektrische eigenschappen, behalve de kubische fase.
De laatste drie, minder symmetrische kristalvormen zijn stabiel bij lagere temperatuur. De structuur ontstaat door het verschuiven van de Ti4+-ionen naar minder gecentreerde posities. De opmerkelijke eigenschappen van dit materiaal zijn het gezamenlijk effect van deze verstoringen van de symmetrie.[2]
In de vloeistoffase overheerst een opmerkelijk andere structuur-element in vergelijking met de vaste fase. Het merendeel van de Ti4+-ionen maakt dan deel uit van een TiO4+4−-cluster dat in evenwicht is met meer complexe structuren.[3]
Productie en eigenschappen
Synthese
Beelden van deeltjes BaTiO3 met behulp van een Scanning Electron Microscoop (SEM). De verschillende vormen ontstaan in reactie op de exacte synthese-omstandigheden, type reactie, temperatuur of oplosmiddel. De grootte en de vorm kunnen variëren als reactie op concentraties van uitgangsstoffen of de tijd. Kleuren zijn een optisch effect, gebruikt om de verschillende grijswaarden beter te kunnen onderscheiden.
In het algemeen ontstaat tijdens een neerslagreactie uit een waterige oplossing bolvormige bariumtitanaat-deeltjes in maat variërend van slechts enkele tot meerdere honderden nanometers. De grotere deeltjes ontstaan door de concentratie van de reactanten te verlagen. Bij hele lage concentraties krijgen de deeltjes dendriet-achtige vormen.
Er is veel aandacht besteed aan de relatie tussen de deeltjes-morfologie van bariumtitanaat en de eigenschappen ervan. Het is een van de weinige keramische materialen waarvan bekend is dat ze abnormale kristalgroei (Engels: abnormal grain growth) vertonen. Dit betekent dat er (relatief) vrij grote kristallen groeien in een omgeving van veel kleinere kristallen. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de dichtheid en andere fysische eigenschappen van de stof.[6]
Volledig hoge-dichtheid nanokristallijn bariumtitanaat heeft een 40% hogere permittiviteit dan het langs de klassieke weg bereide materiaal.[7] Insluitingen van bariumtitanaat in tin leiden tot een product met een hogere viscoelastische stijfheid dan diamant. Bariumtitanaat vertoont twee fase-overgangen waarbij de kristalvorm en het volume veranderen. Deze fase-overgangen geven bariumtitanaat een negatieve bulk modulus (Young's modulus). Dit wil zeggen dat als een kracht op de in tin ingesloten kristallen wordt uitgeoefend er verschuivingen in het kristal optreden in de tegenovergestelde richting, waardoor de hele stof stijver wordt.[8]
Reacties
Zoals veel oxides is bariumtitanaat onoplosbaar in water, maar lost het wel op in zwavelzuur.
Bariumtitanaat reageert met stikstoftrichloride waarbij een groen-grijs mengsel ontstaat. De ferro-elektrische eigenschappen blijven behouden in dit mengsel.
Bandgap
Bulkmateriaal heeft bij kamertemperatuur een bandgap van 3,2 eV, maar dit neemt toe tot ongeveer ~3,5 eV als de deeltjesgrootte omlaag gaat van ongeveer 15 naar 7 nm.[9]
Bariumtitanaat is een diëlektrisch keramisch materiaal dat toegepast wordt in condensatoren. De diëlektrische constante is ongeveer 7000. In een klein temperatuurbereik zijn zelfs waarden van 15.000 mogelijk. Ter vergelijking: voor de meeste keramische stoffen gelden diëlektrische constanten kleiner dan 10 met een enkele uitschieter (titaniumdioxide, TiO2) tot tussen de 20 en 70.[11]
Als piëzo-elektrisch materiaal is bariumtitanaat tegenwoordig (2015) grotendeels vervangen door loodzirconaattitanaat.
Thermostaat
Polykristallijn bariumtitanaat heeft een positieve temperatuurcoëfficiënt voor zijn weerstand waardoor het een geschikte stof is voor thermistors en zelf-regulerende elektrische verwarmingen.
Voertuigentechniek
Zeer zuiver bariumtitanaat-poeder kan worden toegepast als sleutelcomponent in een nieuwe generatie condensatoren, bruikbaar als tijdelijke energieopslag in elektrische voertuigen.[12]
Biocompatibiliteit
Ten gevolge van de grote biocompatibiliteit worden nanodeeltjes van bariumtitanaat toegepast voor het afgeven van medicijnen op geselecteerde plaatsen in het lichaam.[13]
Magneto-elektrisch effect
Voor bariumtitanaat zijn zeer grote waarden magneto-elektrische effecten beschreven.[14][15]
Natuurlijk voorkomen
Barioperovskiet is een heel zeldzaam natuurlijk analogon van BaTiO3. Het wordt gevonden als microinclusies in benitoiet.[16]
↑Xingcun Colin Tong. GEEN TITEL OPGEGEVEN Advanced Materials for Integrated Optical Waveguidespag.: 357 – Springer Science & Business Media ISBN 978-3-319-01550-7
↑Manuel Gaudon. (2015). Out-of-centre distortions around an octahedrally coordinated Ti4+ in BaTiO3Polyhedron. 88pag.: 6–10DOI:10.1016/j.poly.2014.12.004
↑O.L.G. Alderman, C. Benmore, J. Neuefeind, A. Tamalonis, R. Weber. (2019). Molten barium titanate: a high-pressure liquid silicate analogueJournal of Physics: Condensed Matter. 31 (20): pag.: 20LT01DOI:10.1088/1361-648X/ab0939 PubMed: 30790768
↑M. Selvaraj, V. Venkatachalapathy, J. Mayandi, S. Karazhanov, J.M. Pearce. (2015). Preparation of meta-stable phases of barium titanate by Sol-hydrothermal methodAIP Advances. 5 (11): pag.: 117–119 (2015). 5 (11): 117119.
↑Dorian A.H. Hanaor, Wanqiang Xu, Michael Ferry, Charles C. Sorrell. (2012). Abnormal Grain GrowthJournal of Crystal Growth. 359 –91
↑Edward K. Nyutu, Chun-Hu Chen, Prabir K. Dutta, Steven L. Suib. (2008). Effect of Microwave Frequency on Hydrothermal Synthesis of Nanocrystalline Tetragonal Barium TitanateThe Journal of Physical Chemistry C. 112pag.: 9659DOI:10.1021/jp7112818
↑T. Jaglinski, D. Kochmann, D. Stone, R.S. Lakes. (2007). Composite materials with viscoelastic stiffness greater than diamondScience. 315 (5812): pag.: 620–622DOI:10.1126/science.1135837 PubMed: 17272714
↑Keigo Suzuki, Kazunori Kijima. (2005). Optical Band Gap of Barium Titanate Nanoparticles Prepared by RF-plasma Chemical Vapor DepositionJpn. J. Appl. Phys.. 44 (4A): pag.: 2081–2082DOI:10.1143/JJAP.44.2081
↑J.F. Scott, A. Schilling, S.E. Rowley, J.M. Gregg. (2015). Some current problems in perovskite nano-ferroelectrics and multiferroics: Kinetically-limited systems of finite lateral sizeScience and Technology of Advanced Materials. 16 (3): pag.: 036001DOI:10.1088/1468-6996/16/3/036001 PubMed: 27877812
↑Mark D. Waugh. (2010). Design solutions for DC bias in multilayer ceramic capacitorsElectronic Engineering Times.
↑G.G. Genchi, A. Marino, A. Rocca, V. Mattoli, G. Ciofani. (2016). Barium titanate nanoparticles: Promising multitasking vectors in nanomedicineNanotechnology. 27 (23): pag.: 232001DOI:10.1088/0957-4484/27/23/232001 PubMed: 27145888
↑W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott. (2006). Multiferroic and magnetoelectric materialsNature. 442 (7104): pag.: 759–765DOI:10.1038/nature05023 PubMed: 16915279
↑Mohsin Rafique. (2017). Giant room temperature magnetoelectric response in strain controlled nanocompositesApplied Physics Letters. 110 (20): pag.: 202902DOI:10.1063/1.4983357
↑Chi Ma, George R. Rossman. (2008). Barioperovskite, BaTiO3, a new mineral from the Benitoite Mine, CaliforniaAmerican Mineralogist. 93 (1): pag.: 154–157DOI:doi=10.2138/am.2008.2636
Zie Perovskieten voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
