Les couches minces dérivées du matériau ferroélectrique BaTiO3 présentent un grand intérêt en vue de l'élaboration de composants intégrés pour la microélectronique et les télécommunications. Ainsi, des films de Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) possèdent une forte permittivité dont la valeur peut être modulée sous champ électrique, ce qui permet d'envisager leur utilisation dans des condensateurs aux propriétés ajustables. Cependant, le principal frein à leur intégration est l'importance de leurs pertes diélectriques. Des couches de BST déposées par pulvérisation magnétron radiofréquence ont été caractérisées d'un point de vue structural, chimique et diélectrique afin d'établir une référence. De nouvelles compositions exemptes de plomb, comme le BTZ (BaTi1-xZrxO3) et le BST substitué avec de l'étain, ont été synthétisées en vue d'abaisser les pertes. Des mesures diélectriques en température ont mis en évidence le caractère relaxeur des couches minces de BTZ riches en zirconium, et la copulvérisation a permis d'étudier l'ensemble de la solution solide BaTiO3-BaZrO3. Enfin, un nouveau type d'hétérostructures alliant le BST à une barrière diélectrique de SiO2 a permis d'atteindre des pertes très inférieures à 0.5% tout en conservant une permittivité et une accordabilité satisfaisantes.

Le caoutchouc naturel (NR) et le caoutchouc époxydé (ENR) ont constitué la base de cette étude consacrée à l’étude des composites et mélanges de polymères. La présence du groupe époxyde a conduit à une amélioration des propriétés mécaniques de ces formulations en termes de module et de la résistance à la traction. De plus, l’utilisation de la spectroscopie diélectrique a révélé que les ENRs présentent une conductivité plus élevée que le NR à basse fréquence et à haute température. En particulier, le caoutchouc naturel époxidé contenant 50 mol% de groupes époxyde ENR-50 présente des conductivités et permittivités les plus élevées. Par conséquent, ce dernier a été choisi pour préparer des composites polymères en incorporant des particules de titanate de barium (BT) et de noir de carbone (CB). Les résultats montrent que la permittivité et conductivité des composites élaborés augmentent avec le taux d'incorporation de ces charges. Par exemple, les composites BT/ENR-50 atteignent une permittivité élevée 48.7 pour 50 vol% de BT. De plus, les composites CB/ENR-50 présentent un seuil de percolation de 6.3 vol% de CB. Enfin les mélanges à base de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et d’ENR ont été étudiés. Il a été observé que la morphologie de ces mélanges dépend du degré d’époxydation du caoutchouc naturel et bien entendu de la composition du mélange. Une morphologie co-continue peut être observée dans l’intervalle 40 et 60% en masse d’ENR-50. En outre, les résultats issus d’analyses dynamiques mécanique et diélectrique montrent que ces mélanges présentent une miscibilité partielle. Enfin, des composites à base de ces mélanges binaires PVDF/ENR- 50 contenant BT ont été préparés. L’étude des morphologies a révélé que les particules de BT étaient dispersées dans la phase d’ENR-50 pour le mélange classique. Cependant, les particules de BT sont localisées à l'interface et dans la phase PVDF pour le mélange réticulé dynamiquement. En termes de propriétés, la permittivité plus élevée est obtenue pour le mélange PVDF/ENR 50 (80/20) ayant été réticulé dynamiquement / Natural rubber (NR) and epoxidized natural rubber (ENR) were chosen to study the composites and blends of polymers. The presence of epoxide group caused to improve the mechanical properties in terms of modulus and tensile strength. Furthermore, dielectric spectroscopy revealed that ENR showed conductivity process at low frequency and high temperature. Epoxidized natural rubber containing 50 mol% of epoxide group or ENR-50 exhibited the highest dielectric permittivity and electrical conductivity. Therefore, ENR-50 was then selected to prepare polymer composite filled with barium titanate (BT) and carbon black (CB) particles. The permittivity and conductivity of the composites increased with the volume content of the fillers. The BT/ENR-50 composites reached a high permittivity of 4 8 . 7 for addition of 50 vol% BT. Meanwhile, CB/ENR-50 composite reached percolation threshold at 6. 3 vol% of CB. The phase development and miscibility of poly(vinylidene fluoride) (PVDF)/epoxidixed natural rubber (ENR) blends were then investigated. It was also found that phase structure depended on epoxidation level and blend compositions. The blend exhibited a co-continuous phase morphology in the region of 40 to 60 wt% of ENR-50. Furthermore, the results from dynamic mechanical and dielectric analysis revealed that these blends present a partial miscibility. Finally, the composites based on binary blends of PVDF/ENR-50 containing BT were prepared. The study of the morphologies revealed that BT was dispersed in ENR-50 phase in the case of simple blend. However, the addition of BT after dynamic vulcanization induced localization of BT in PVDF phase and at interface. The highest increment of permittivity can be observed for the composite based on dynamically cured PVDF/ENR-50 (80/20) blend / ศึกษาอิทธิพลของโครงสร้างโมกุลยางธรรมชาติ (NR) และยางธรรมชาติอิพอกไซด์ (ENR) ต่อสมบัติ พบว่าการมีหมู่อิพอกไซด์อยู่ในยาง ENR ทำให้มีการปรับปรุงสมบัติเชิงกล เช่น มอดุลัสและความต้านทานต่อแรงดึง นอกจากนี้สมบัติไดอิเล็กทริกได้แสดงให้เห็นถึงการนำ ไฟฟ้าที่ความถี่ต่ำและอุณหภูมิสูง ยางที่มีหมู่อิพอกไซด์ 50 โมล% (ENR-50) มีค่าการนำไฟฟ้า และค่า permittivity สูงที่สุด ดังนั้นจึงนำยาง ENR-50 ไปใช้ในการเตรียมคอมพอสิตที่ใช้แบเรียม ไททาเนตและเขม่าดำเป็นตัวเติม ซึ่งพบว่าค่า permittivity และค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้นตาม ปริมาณตัวเติมที่ใส่ลงไป ที่ปริมาณ 50%โดยปริมาตรของแบเรียมไททาเนตในยางให้ค่า permittivity สูงถึง 48.7 ในขณะเดียวกันก็พบว่าการเตรียม ENR-50 คอมพอสิตที่ใช้เขม่าดำมี percolation threshold ที่ 6.3 vol% ของเขม่าดำ สำหรับการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสัณฐาน วิทยาและความเข้ากันได้ของพอลิเมอร์เบลนด์ระหว่างพอลิไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) กับยาง ENR พบว่า สัณฐานวิทยาของพอลิเมอร์ที่เตรียมได้ขึ้นอยู่กับปริมาณหมู่อิพอกไซด์ในยาง ENR และอัตราส่วนการเบลนด์ อัตราส่วนการเบลนด์ในช่วง 40 ถึง 60% โดยน้ำหนักของยาง ENR- 50 ให้ลักษณะสัณฐานวิทยาแบบวัฏภาคร่วม (co-continuous) นอกจากนี้ผลการทดสอบจาก สมบัติพลวัตเชิงกลและสมบัติไดอิเล็กทริกแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้บางส่วน (partial miscibility) ท้ายที่สุดนี้ได้เตรียมคอมพอสิตจากพอลิเมอร์เบลนด์ที่เติมแบเรียมไททาเนต สัณฐานวิทยาของคอมโพสิทที่เตรียมได้นั้น พบว่าแบเรียมไททาเนตกระจายตัวในเฟสยางเป็น หลัก อย่างไรก็ตามการเติมแบเรียมไททาเนตหลังจากการวัลคาไนซ์แบบไดนามิกส์ทำให้ แบเรียมไททาเนตกระจายตัวในเฟสพอลิไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) และที่ผิวประจัญ (interface) นอกจากนี้คอมพอสิตที่เตรียมจากเทอร์โมพลาสติกวัลคาไนซ์ของ PVDF/ENR 50 ที่ อัตราส่วนการเบลนด์ที่ 80/20 ให้ค่า permittivity ที่สูง

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.:Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................5 Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................9 1. Motivation....................................................................................................................11 2. Stand der Forschung und theoretischer Teil ...............................................................14 2.1. Nanoskalige Materialien...........................................................................................15 2.1.1. Nanopartikel und Nanokompositmaterialien ....................................................... 15 2.1.2. Dünnschichten..................................................................................................... 21 2.1.3. Anwendungen in der Photokatalyse.................................................................... 22 2.1.4. Anwendungen in der Gas- und Dampfsensorik.................................................... 24 2.2. Ferroelektrika .........................................................................................................26 2.2.1. Bismutmolybdat................................................................................................... 32 2.2.2. Bismutwolframat.................................................................................................. 34 2.2.3. Bismuttitanat ....................................................................................................... 36 2.2.4. Strontiumbariumniobat......................................................................................... 37 2.3. Verwendete Methoden.............................................................................................40 2.3.1. Spark-Plasma-Sintering ........................................................................................40 2.3.2. Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ...................................................... 42 2.3.3. Charakterisierung nichtlinearer, elektrooptischer Eigenschaften......................... 43 3. Experimenteller Teil ....................................................................................................51 3.1. Synthesevorschriften................................................................................................52 3.1.1. Verwendete Chemikalien und Substrate.............................................................. 52 3.1.2. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................... 55 3.1.3. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)............................................... 56 3.1.4. Präparation von Bi2MO6/PLA Nanokompositmaterialien (M = Mo, W) ................... 57 3.1.5. Sol-Gel-Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Ba0.25Sr0.75Nb2O6 und Dünnschichten..................... 57 3.1.6. Mikroemulsionssynthese von Bi4Ti3O12 ............................................................... 59 3.1.7. Sol-Gel-Synthese von Bi2Ti2O7............................................................................. 60 3.1.8. Synthese von BiOH(C2O4), BiOCH3COO und Bi(CH3COO)3................................... 61 3.2. Vorschriften zur Durchführung und Charakterisierung...............................................62 3.2.1. Verwendete Geräte und Einstellungen ................................................................ 62 3.2.2. Spark Plasma Sintering von Bi2MO6 (M = Mo,W) und Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ........................ 65 3.2.3. Prüfung elektrooptischer Eigenschaften, Präparation der Bauteile und Messaufbau .............................................. 67 3.2.4. Durchführung photokatalytischer Messungen ....................................................... 69 3.2.5. Messung der Dampfadsorption an Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ........................................... 70 4. Ergebnisse und Diskussion...........................................................................................71 4.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................72 4.1.1. Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W) Nanopartikeln................................................. 72 4.1.2. Nanokompositmaterialien mit Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................ 81 4.1.3. Synthese der Bismuttitanate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................... 84 4.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 ................. 88 4.2. Funktion der nanoskaligen Materialien .....................................................................100 4.2.1. Bismuthaltige Nanopartikel in der Photokatalyse ..................................................100 4.2.2. Spark-Plasma-Sintern von Bi2MO6-Nanopartikel (M = Mo, W)................................103 4.2.3. Elektrooptische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien ............................................................108 4.2.4. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ............114 4.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3....................................118 5. Zusammenfassung ......................................................................................................127 6. Ausblick .......................................................................................................................131 7. Literatur ......................................................................................................................132 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ..........................................................................146 8.1. Abbildungsverzeichnis...............................................................................................146 8.2. Tabellenverzeichnis...................................................................................................152 9. Anhang ........................................................................................................................154 9.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................155 9.1.1. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).....................................................155 9.1.2. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).................................................156 9.1.3. Synthese der Bismutmolybdate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................156 9.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 .................159 9.2. Funktion der nanoskaligen Materialien ......................................................................164 9.2.1. Spark-Plasma-Sintern..............................................................................................164 9.2.2. Elektro-optische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien .........................................................166 9.2.3. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ...........174 9.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3.....................................175 9.3.1. DTA-TG-Ergebnisse .................................................................................................175 9.3.2. Kristalldaten und Strukturverfeinerung ...................................................................177 9.4. Quelltexte ..................................................................................................................181 9.4.1. MATLAB-Skript zur Auswertung elektrooptischer Koeffizienten................................181 9.4.2. MATLAB-Skript zur Auswertung dampfadsorptiver Eigenschaften............................182