Введение
Титанат стронция — это оксид стронция и титана с химической формулой SrTiO3. При комнатной температуре это центросимметричный параэлектрический материал с перовскитовой структурой. При низких температурах он приближается к фазовому переходу в ферроэлектрическое состояние с очень большой диэлектрической проницаемостью ~104, но остаётся параэлектриком даже при самых низких измеренных температурах из-за квантовых флуктуаций, что делает его квантовым параэлектриком. Долгое время считалось, что это исключительно искусственный материал, пока в 1982 году его природный аналог, обнаруженный в Сибири и названный таусонитом, не был признан Международной минералогической ассоциацией (IMA). Таусонит остаётся крайне редким минералом в природе, встречающимся в виде очень мелких кристаллов. Наиболее важное применение он находит в синтезированном виде, где иногда используется в качестве имитации алмаза, в прецизионной оптике, варисторах и передовой керамике. Название таусонит было дано в честь Льва Владимировича Таусона (1917–1989), российского геохимика. Устаревшие торговые названия синтетического продукта включают мезотитанат стронция, Diagem и Marvelite. В настоящее время этот продукт продаётся для использования в ювелирных изделиях под названием Fabulite. Помимо своего типового местонахождения — массива Мурун в Республике Саха (Якутия), природный таусонит также встречается в Серро-Сарамби, департаменте Консепсьон, Парагвай, и вдоль реки Котаки на острове Хонсю, Япония.
Свойства
SrTiO3 имеет непрямой запрещенный энергетический промежуток 3,25 эВ и прямой запрещенный промежуток 3,75 эВ, что характерно для большинства полупроводников. Синтетический титанат стронция обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью (300) при комнатной температуре и низком электрическом поле. У него удельное сопротивление превышает 109 Ом·см для высокочистых кристаллов. Он также используется в высоковольтных конденсаторах. Введение подвижных носителей заряда посредством легирования приводит к появлению металлического поведения, характерного для ферми-жидкости, даже при очень низкой концентрации носителей заряда. При высокой концентрации электронов титанат стронция становится сверхпроводящим при температуре ниже 0,35 К и был первым изолятором и оксидом, в котором обнаружена сверхпроводимость. Титанат стронция значительно плотнее (удельный вес 4,88 для природного, 5,13 для синтетического) и мягче (твердость по Моосу 5,5 для синтетического, 6–6,5 для природного), чем алмаз. Его кристаллическая система – кубическая, а показатель преломления (2,410, измеренный при освещении натрием, 589,3 нм) почти идентичен показателю преломления алмаза (2,417), однако дисперсия (оптическое свойство, отвечающее за «игру света» в ограненных драгоценных камнях) титаната стронция в 4,3 раза выше, чем у алмаза и составляет 0,190 (интервал B–G). Это приводит к поразительной игре света по сравнению с алмазом и имитациями алмаза, такими как YAG, GAG, GGG, кубический цирконий и муассанит. При температуре ниже 105 К его кубическая структура преобразуется в тетрагональную. Его монокристаллы могут использоваться в качестве оптических окон и высококачественных мишеней для магнетронного распыления. SrTiO3 является отличным подлоем для эпитаксиального выращивания высокотемпературных сверхпроводников и многих тонких пленок на основе оксидов. Он особенно хорошо известен как подложка для выращивания интерфейса алюмината лантана и титаната стронция. Легирование титаната стронция ниобием делает его электропроводным, являясь одним из немногих коммерчески доступных проводящих однокристаллических подложек для выращивания перовскитных оксидов. Его параметр решетки, равный 3,905 Å, делает его подходящим в качестве подложки для выращивания многих других оксидов, включая редкоземельные марганцы, титанаты, алюминат лантана (LaAlO3), рутенат стронция (SrRuO3) и многие другие. Вакансии кислорода довольно часто встречаются в кристаллах и тонких пленках SrTiO3. Вакансии кислорода индуцируют свободные электроны в зоне проводимости материала, делая его более проводящим и непрозрачным. Эти вакансии могут быть вызваны воздействием восстановительной среды, такой как высокий вакуум при повышенных температурах. Высококачественные эпитаксиальные слои SrTiO3 также могут быть выращены на кремнии без образования диоксида кремния, что делает SrTiO3 альтернативным диэлектриком затвора. Это также позволяет интегрировать другие тонкопленочные перовскитные оксиды на кремний. SrTiO3 может изменять свои свойства при воздействии света. Эти изменения зависят от температуры и дефектов материала. При низких температурах основными эффектами света являются электронные, то есть они связаны с созданием, движением и рекомбинацией электронов и дырок (положительных зарядов) в материале.
Синтез
Синтетический титанат стронция был одним из нескольких титанатов, запатентованных в конце 1940-х и начале 1950-х годов; другие титанаты включали титанат бария и титанат кальция. Исследования проводились главным образом в компании National Lead Company (позже переименованной в NL Industries) в Соединенных Штатах Леоном Меркером и Лэнгтри Э. Линдом. Меркер и Линд впервые запатентовали процесс выращивания 10 февраля 1953 года; в течение последующих четырех лет было запатентовано несколько усовершенствований, таких как модификации исходного порошка и добавление окрашивающих допантов. Модификация основного процесса Вернея (также известного как пламенное напыление) является предпочтительным методом выращивания. Используется перевернутая кислородно-водородная горелка, в которой исходный порошок смешивается с кислородом и тщательно подается через горелку, но с добавлением третьей трубки для подачи кислорода, образуя трехконусную горелку. Дополнительный кислород необходим для успешного образования титаната стронция, который в противном случае не смог бы полностью окислиться из-за содержания титана. Соотношение составляет примерно 1,5 объема водорода на каждый объем кислорода. Высокоочищенный исходный порошок получают, сначала синтезируя соль титанила двуоксалат (SrTiO(C2O4)2) путем взаимодействия хлорида стронция (SrCl2) и щавелевой кислоты ((COOH)2) с тетрахлоридом титана (TiCl4). Соль промывают для удаления хлоридов, нагревают до 1000 °C для получения свободно текучего гранулированного порошка требуемого состава, а затем измельчают и просеивают, чтобы обеспечить размер всех частиц от 0,2 до 0,5 микрометров. Тонкие пленки SrTiO3 могут быть выращены эпитаксиально различными методами, включая импульсное лазерное осаждение, молекулярно-лучевую эпитаксию, радиочастотное распыление и атомно-слоевое осаждение. Как и в случае большинства тонких пленок, различные методы выращивания могут приводить к значительно различной плотности дефектов и примесей, а также к кристаллическому качеству, что приводит к большому диапазону электронных и оптических свойств.
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.
Использование в качестве симулятора алмазов
Его кубическая структура и высокая дисперсия когда-то сделали синтетический титанат стронция одним из основных кандидатов для имитации алмаза. Начиная примерно с 1955 года, большие количества титаната стронция производились исключительно для этой цели. В то время титанат стронция конкурировал с синтетическим рутилом ("титанией") и имел преимущество, заключавшееся в отсутствии нежелательного желтоватого оттенка и сильной двулучепреломления, свойственных последнему материалу. Хотя он был мягче, он значительно больше походил на алмаз. Однако со временем оба материала вышли из употребления, будучи превзойденными более совершенными имитациями: сначала гранатом иттрий-алюминиевым (YAG), а затем гранатом гадолиний-галлиевым (GGG); и, наконец, (на сегодняшний день) кубическим цирконием, который является наиболее удачной и экономически выгодной имитацией алмаза. Несмотря на то, что титанат стронция устарел, он до сих пор производится и периодически встречается в ювелирных изделиях. Это один из самых дорогих имитаторов алмаза, и из-за своей редкости коллекционеры готовы платить повышенную цену за крупные экземпляры, то есть весом более 2 карат (400 мг). Как имитатор алмаза, титанат стронция наиболее обманчив при смешивании с мелкими камнями, то есть весом менее 0,20 карата (40 мг), и при использовании в качестве основы для композитных или дублетных камней (например, с синтетическим корундом в качестве короны или верхней части камня). Под микроскопом геммологи отличают титанат стронция от алмаза по его мягкости, проявляющейся в виде поверхностных царапин, и избыточной дисперсии (заметной для опытного глаза), а также по случайным газовым пузырькам, оставшимся от процесса синтеза. Дублеты можно обнаружить по линии соединения на поясе камня и по сплющенным пузырькам воздуха или клею, видимым внутри камня в месте склейки.
Использование в радиоизотопных термоэлектрических генераторах
Из-за высокой температуры плавления и нерастворимости в воде, титанат стронция использовался в качестве материала, содержащего стронций-90, в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ), таких как американские серии Sentinel и советские Beta M. Поскольку стронций-90 имеет высокий выход продуктов деления и легко извлекается из отработавшего ядерного топлива, РТГ на основе стронция-90 теоретически могут быть произведены дешевле, чем на основе плутония-238 или других радионуклидов, требующих производства на специализированных установках. Однако, из-за более низкой удельной мощности (~0,45 Вт тепловой на грамм титаната стронция-90) и периода полураспада, для космических применений, где особенно важны малый вес, высокая надежность и долговечность, предпочтение отдается плутонию-238. Наземное автономное использование РТГ, тем временем, в значительной степени прекращено из-за опасений по поводу неконтролируемых источников и снижения стоимости, а также увеличения доступности солнечных панелей, небольших ветрогенераторов, химических аккумуляторов и других решений для автономного энергоснабжения.