We demonstrate a simple preparation of ferroelectric lead titanate (PbTiO3) nanotubes by reacting anodized TiO2 nanotube arrays with PbO vapor. Self-aligned TiO2 nanotube arrays are grown in two different shape, bamboo and smooth type, by anodization of Ti sheets in different NH4F containing electrolytes, malonic acid and ethylene glycol. Lead acetate is used as a precursor to PbTiO3 by filling in TiO2 nanotubes using dipping or vacuum. Subsequently, the lead acetate-filled TiO2 nanotubes are converted into PbTiO3 nanotubes via PbO vapor phase reaction in a tube furnace. In order to obtain high-quality ferroelectric nanotubes, we explore the conditions of anodization including electrolytes, reaction time and applied voltage, and PbO reaction temperature. Their morphology and microstructure are examined by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM). Additionally, ferroelectric properties and switching behavior are determined by piezoresponse force microscopy (PFM).
고체는 전기적 성질에 따라 크게 도체, 반도체, 부도체로 나눌 수 있는데 부도체 중에는 전기분극(electric polarization)을 갖는 물질인 유전체도 포함된다. 이 중에서도 전이온도(Curie 온도라고도 함) 이하 영역에서 자발분극(spontaneous polarization)을 가지며 외부 전기장에 의해 그 분극이 극성에 따라 반전될 수 있는 성질을 갖는 물질을 강유전체라 한다. 이 외에도 강유전체는 초전성, 압전성, 전기광학효과, 비선형 광학효과 등의 다양한 특성을 가져 초음파, 압력, 가속도 적외선 등의 각종 센서에서부터 커패시터, 비휘발성 메모리 소자의 적용에 이르기까지 많은 분야에 응용가능성이 매우 큰 재료이다.이러한 강유전체가 나노와이어(nanowires), 나노로드(nanorods), 나노튜브(nanotubes)등의 1차원 나노구조를 가질 때 벌크나 박막에서와는 다른 특성을 보이고 특히 넓은 표면적에 의해 소자의 sensitivity와 효율을 높일 수 있어 1차원 나노구조를 갖는 강유전체에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서 강유전체 PbTiO3 나노튜브를 제조하는데 있어 양극산화로 자가배열된 TiO2 나노튜브를 PbO 증기와 반응시키는 손쉬운 방법을 제시한다. TiO2 나노튜브는 대나무형태와 매끈한 외벽을 갖는 두가지 다른 형태로 제조하였으며 각각의 나노튜브는 NH4F를 포함한 malonic acid와 에틸렌 글리콜 전해질을 사용하였다. TiO2를 PbTiO3로 변환하는데 있어 전구체로 아세트산납을 이용하였으며 Dipping과 진공을 이용한 두가지 방법으로 각각 TiO2 나노튜브 내부에 채워넣었다. 최종적으로 튜브 퍼니스 내부에서 아세트산납이 채워진 TiO2 나노튜브를 PbO 증기와 반응시켜 PbTiO3 나노튜브를 얻었으며 최적의 조건을 찾기 위해 양극산화 공정의 조건들과 증기상 반응의 온도를 변화시켜 보았다. XRD를 통한 상분석 및 SEM을 이용한 나노튜브의 미세구조 관찰을 실시하였고 PFM을 통해 PbTiO3 나노튜브의 강유전 특성을 분석하였다.
