Кіріспе
Стронций титанаты – химикалық формуласы SrTiO3 болатын стронций мен титанның оксиді. Бөлме температурасында ол центросимметриялық параэлектрлік материал, перовскит құрылымына ие. Төмен температурада ол өте жоғары диэлектрлік тұрақтысы (~104) бар ферроэлектрлік фазалық өтуге жақындайды, бірақ кванттық флуктуациялардың нәтижесінде өлшенген ең төменгі температураға дейін параэлектрлік күйінде қалады, осылайша ол кванттық параэлектрик болып табылады. 1982 жылға дейін ол толығымен жасанды материал деп есептелді, сол кезде оның табиғи аналогы – Сібірде табылған және таусонит деп аталған – Халықаралық минералогиялық қауымдастық (IMA) тарапынан мойындалды. Таусонит табиғатта өте сирек кездесетін минерал, өте ұсақ кристалдар түрінде ғана кездеседі. Оның ең маңызды қолданылуы синтезделген түрінде, онда ол кейде алмаздың имитациясы ретінде, дәл оптикада, варисторларда және жетілдірілген керамикада қолданылады. Таусонит атауы орыс геохимигі Лев Владимирович Таусонның (1917–1989) құрметіне берілген. Синтетикалық өнімнің бұрынғы саудалық атаулары: стронций мезотитанаты, Диагем және Марвелит. Қазіргі уақытта бұл өнім "Фабулит" деген атпен зергерлік бұйымдар нарығында сатылуда. Саха Республикасындағы Мурун массивінен басқа, табиғи таусонит Парагвайдың Консепсьон департаментіндегі Серро Сарамбиде және Жапонияның Хонсю аралындағы Котаки өзенінің жағалауында да табылды.
Қасиеттері
SrTiO3 типичный жартылай өткізгіштер диапазонында 3,25 ЭВ тікес емес және 3,75 ЭВ тікес жолақты арақашықтыққа ие. Синтетикалық стронций титанаты бөлме температурасында және төмен электр өрісінде өте жоғары диэлектрлік тұрақтылыққа (300) ие. Өте таза кристалдар үшін оның меншікті кедергісі 109 Ом·см-ден жоғары. Ол сондай-ақ жоғары кернеулі конденсаторларда қолданылады. Допинг арқылы жылдам заряд тасымалдаушыларын енгізу, заряд тасымалдаушы тығыздығы өте төмен болғанда Fermi сұйық металл тәрізді мінез-құлыққа әкеледі. Электрондық тығыздығы жоғары болғанда стронций титанаты 0,35 К төмен температурада суперөткізгіш болады және суперөткізгіштік қасиеттері бар алғашқы оқшаулағыш және оксид болып табылады. Стронций титанаты алмастан гөрі тығыз (табиғи үшін 4,88, синтетикалық үшін 5,13) және жұмсақ (синтетикалық үшін Мохтың қаттылығы 5,5, табиғи үшін 6–6,5). Оның кристалдық жүйесі кубикалық, ал сыну көрсеткіші (589,3 нм натрий жарығымен өлшенгенде 2,410) алмастың (2,417) көрсеткішіне жақын, бірақ стронций титанатының дисперсиясы (кескен асыл тастардың "жарығына" жауапты оптикалық қасиет) алмастың дисперсиясынан 4,3 есе артық, 0,190 (B–G аралығы). Бұл YAG, GAG, GGG, кубикалық цирконий және моассанит сияқты алмаз және алмаз имитацияларымен салыстырғанда жарқыраған эффектіге әкеледі. 105 К төмен температурада оның кубикалық құрылымы тетрагональды түрге өтеді. Оның монокристалдары оптикалық терезелер ретінде және жоғары сапалы шашырату мақсатында қолданылуы мүмкін. SrTiO3 жоғары температуралы суперөткізгіштердің және көптеген оксид негізді жұқа пленкалардың эпитаксиялық өсуі үшін тамаша субстрат болып табылады. Ол әсіресе лантан алюминат-стронций титанат интерфейсін өсіру үшін қолданылатын субстрат ретінде танымал. Стронций титанатына ниобий қосылғанда, ол электр өткізгіш болады, бұл перовскит оксидтерін өсіру үшін қолданылатын жалғыз кристалдық, коммерциялық түрде қол жетімді өткізгіш субстраттардың бірі. Оның 3,905 Å көлемді тор параметрі оны сирек кездесетін марганецтер, титанаттар, лантан алюминат (LaAlO3), стронций рутенат (SrRuO3) және басқа да көптеген оксидтерді өсіру үшін қолайлы субстрат етеді. SrTiO3 кристалдарында және жұқа пленкаларда оттектің бос орындары жиі кездеседі. Оттектің бос орындары материалдың өткізгіштік жолағында еркін электрондарды тудырады, оның өткізгіштігі мен мөлдір еместігін арттырады. Бұл бос орындар жоғары температурадағы вакуум сияқты тотығуға қарсы жағдайларға ұшыраудан туындауы мүмкін. Жоғары сапалы, эпитаксиялық SrTiO3 қабаттарын кремний диоксидінің түзілуінсіз кремнийге өсіруге болады, осылайша SrTiO3 альтернативті қақпалық диэлектрлік материалға айналады. Бұл басқа жұқа пленкалы перовскит оксидтерін кремнийге интеграциялауға да мүмкіндік береді. SrTiO3 жарыққа ұшырағанда оның қасиеттерін өзгерте алады. Бұл өзгерістер температураға және материалдың ақауларына байланысты. Төмен температурада жарықтың негізгі әсері электронды болып табылады, яғни материалдағы электрондар мен тесіктердің (оң зарядтардың) пайда болуын, қозғалуын және бірігуін қамтиды.
Синтез
Синтетикалық стронций титанаты 1940 жылдардың соңы мен 1950 жылдардың басында патенттелген бірнеше титанаттардың бірі болды; басқа титанаттар барий титанаты және кальций титанатын қамтиды. Зерттеулер негізінен Америка Құрама Штаттарында Леон Меркер мен Лэнгтри Э. Линдтің Ұлттық қорғасын компаниясында (кейін NL Industries деп қайта аталды) жүргізілді. Меркер мен Линд алғаш рет 1953 жылдың 10 ақпанында өсу процесін патенттеді; келесі төрт жылда бірнеше жетілдірулер патенттелді, мысалы, қоректік ұнтақтың модификациясы және бояғыш қоспалардың енгізілуі. Негізгі Вернейль процесінің модификациясы (сонымен қатар жалынды қосылыс деп те аталады) өсудің басым әдісі болып табылады. Инверттік оттегі-сутек үрлеу құбыры қолданылады, онда қоректік ұнтақ оттегімен араластырылып, әдеттегідей үрлеу құбыры арқылы мұқият беріледі, бірақ оттегі беру үшін үшінші құбыр қосылады, бұл триконус оттегі жағып тұрғыш құрылғысын құрайды. Стронций титанатының сәтті түзілуі үшін қосымша оттегі қажет, әйтпесе титан компонентіне байланысты толық тотығу жүрмейді. Қатынасы шамамен 1,5 көлем сутекке 1 көлем оттек. Жоғары тазартылған қоректік ұнтақ алдымен стронций хлоридін (SrCl2) және қышқылды қос оксалатты ((COOH)2) титан тетрахлоридімен (TiCl4) реакцияға түсіріп, титанды қос оксалат тұзын (SrTiO(C2O4)2) алу арқылы өндіріледі. Тұз хлоридті жою үшін жуылады, қажетті құрамдағы еркін ағып тұратын дөңгелек ұнтақ алу үшін 1000°C-қа дейін қыздырылады, содан кейін ұнтақталып, барлық бөлшектердің мөлшері 0,2 мен 0,5 микрометр аралығында болуын қамтамасыз ету үшін іріктеледі. SrTiO3-тың жұқа қабаттарын әртүрлі әдістермен, соның ішінде импульсті лазерлік шоғырландыру, молекулалық сәулелі эпитаксия, радиожиіліктегі шашырату және атомдық қабаттау арқылы эпитаксиалды өсіруге болады. Көптеген жұқа пленкалардағыдай, әртүрлі өсу әдістері ақаулар мен қоспалардың тығыздығында және кристалдық сапада айтарлықтай айырмашылықтарға алып келуі мүмкін, нәтижесінде электрондық және оптикалық қасиеттердің кең ауқымында өзгеруіне себеп болады.
powder of the required composition, and is then ground and sieved to ensure all particles are between 0.2 and 0.5 micrometres in size. Thin films of SrTiO3 can be grown epitaxially by various methods, including pulsed laser deposition, molecular beam epitaxy, RF sputtering and atomic layer deposition. As in most thin films, different growth methods can result in significantly different defect and impurity densities and crystalline quality, resulting in a large variation of the electronic and optical properties.
Алмаз симуляторы ретінде пайдалану
Оның кубикалық құрылымы және жоғары дисперсиясы синтетикалық стронций титанатын алмасты симуляциялау үшін басты үміткер еткен. 1955 жылдан бастап осы мақсатта стронций титанатының үлкен көлемі өндірілді. Бұл кезде стронций титанаты синтетикалық рутилмен ("титания") бәсекелесіп, соңғысының тән жағымсыз сары түсі мен күшті қос сындыруынан мүлдем айырмашылық танытты. Ол жұмсақ болғанымен, алмазға ұқсастығы айтарлықтай жоғары болды. Бірақ, ақырында екеуі де қолданыстан шығып, "жақсырақ" симуляторлармен ығыстырылды: біріншісі иттрий алюминий гранаты (YAG), одан кейін шамалы уақыттан соң гадолиний галлий гранаты (GGG), ал соңғысы (қазіргі күнге дейін) алмазға ұқсастығы және тиімділігі жағынан ең жақсы симулятор – кубикалық циркония. Ескіргенімен, стронций титанаты әлі де өндіріледі және зергерлік бұйымдарда кездеседі. Бұл алмаз симуляторларының ең қымбаттарының бірі, және сирек кездесетіндіктен коллекционерлер үлкен, яғни 2 караттан (400 мг) асатын үлгілер үшін қосымша төлем жасауы мүмкін. Алмаз симуляторы ретінде стронций титанаты ең алдампаз болып келеді, әсіресе 0,20 караттан (40 мг) кішкентай тастармен араластырылғанда немесе композиттік немесе екі тастың құрамында негізгі материал ретінде қолданылғанда (мысалы, синтетикалық корунд тастың жоғарғы жағы ретінде). Микроскоп арқылы гемологтар стронций титанатын алмаздан оның жұмсақтығымен (бетіндегі сызаттар арқылы), жоғары дисперсиясымен (көзбен байқалатын) және синтездің қалдықтары болып табылатын кейбір газды көпіршіктермен ажырата алады. Екі тастың біріктірілген жері белдеуде ("тастың белдігінде") көрінетін сызықтар және тас ішінде жабысқан жердегі жалпақ ауа көпіршіктері немесе желім арқылы анықталады.
Радиоизотопты термоэлектрлік генераторларда пайдалану
Жоғары балқу нүктесі және суда ерімейтіндігіне байланысты стронций титанаты, АҚШ Sentinel және совет Beta M сериясы сияқты радиоизотоптық термоэлектр генераторларында (РТГ) стронций-90 құрамындағы материал ретінде қолданылған. Стронций-90 жоғары бөліну өнімділігіне ие және пайдаланылған ядролық отыннан оңай алынатындықтан, SR90 негізіндегі РТГ-ны, принципте, арнайы нысандарда өндірілуі қажет плутоний-238 немесе басқа радионуклидтерге қарағанда арзанрақ өндіруге болады. Дегенмен, төмен қуат тығыздығы (стронций-90 титанатының бір граммына шамамен 0,45 Вт жылу) және жартылай ыдырау мерзіміне байланысты, аз салмаққа, жоғары сенімділікке және ұзақ қызмет ету мерзіміне ерекше қатысты ғарыштық қолданыстарда плутоний-238 артықшылыққа ие. Ал РТГ-нің құрлықтағы желіден тыс қолданылуы, негізінен, "жетім" көздерге қатысты алаңдаушылықтар мен күн панельдерінің, кішкентай жел турбиналарының, химиялық аккумуляторлардың және басқа да желіден тыс қуат шешімдерінің бағасының төмендеуі және қолжетімділігінің артуына байланысты тоқтатылды.