Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Barium-Strontium-Titanat?

Barium-Strontium-Titanat (BST) ist eine Verbindung, die eine feste Lösung zwischen zwei Perowskit-Oxiden, Bariumtitanat (BaTiO₃) und Strontiumtitanat (SrTiO₃), bildet. Die Kombination dieser Materialien ergibt ein vielseitiges Material, das ein breites Spektrum an physikalischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweist. BST wird wegen seiner hohen Dielektrizitätskonstante, seines ferroelektrischen Verhaltens und seiner piezoelektrischen Eigenschaften, die es für den Einsatz in Kondensatoren, Sensoren, Aktoren und Speichergeräten wertvoll machen, eingehend untersucht.

Dank der Möglichkeit, die Eigenschaften von BST durch Anpassung des Verhältnisses von Barium- zu Strontiumgehalt zu verändern, können Ingenieure Materialien entwickeln, die für bestimmte Anwendungen optimiert sind. Ob in der Hochfrequenz-Telekommunikation, bei Energiespeichern oder fortschrittlichen Sensortechnologien - BST bietet eine breite Palette von Möglichkeiten für technologische Fortschritte.

Unter Zentrum für HochleistungskeramikWir haben uns auf hochwertige Barium-Strontium-Titanat (BST)-Produkte spezialisiert, die eine optimale Leistung für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen gewährleisten.

Barium-Strontium-Titanat-Sputtering-Target
Barium-Strontium-Titanat (BST) Sputtering-Target

Was ist Barium-Strontium-Titanat?

Barium-Strontium-Titanat (BST) ist eine ferroelektrische Keramik mit der chemischen Formel BaₓSr₁₋ₓTiO₃, wobei x bestimmt sein Phasenübergangsverhalten. Es kombiniert die Eigenschaften von Bariumtitanat (BaTiO₃) und Strontiumtitanat (SrTiO₃)und bietet abstimmbare dielektrische, piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschaften, die für moderne Elektronik entscheidend sind.

Die Zusammensetzung und Struktur von Barium-Strontium-Titanat

Die Zusammensetzung von BST wird durch das Verhältnis von Bariumtitanat (BaTiO₃) zu Strontiumtitanat (SrTiO₃) bestimmt. Dieses Verhältnis kann variiert werden, um ein Material mit den gewünschten Eigenschaften zu schaffen, was einen flexiblen Ansatz für das Materialdesign bietet. Die Kristallstruktur von BST basiert auf dem Perowskit-Gitter, das sehr stabil ist und viele der bemerkenswerten Eigenschaften des Materials ermöglicht.

Die Perowskit-Struktur besteht aus Titan-Ionen im Zentrum eines Oktaeders, umgeben von Sauerstoff-Ionen. Barium- und Strontium-Ionen besetzen die Ecken der Oktaeder und verleihen der Struktur eine symmetrische und hoch geordnete Form. Das spezifische Verhältnis von Barium und Strontium beeinflusst die Gitterparameter und die Symmetrie und wirkt sich auf das dielektrische und ferroelektrische Verhalten des Materials aus.

1. Chemische Zusammensetzung

✅Allgemeine Formel: BaₓSr₁₋ₓTiO₃

x = 0 bis 1 (Einstellung der Phasenübergangstemperatur und der dielektrischen Eigenschaften)

Gemeinsame Kompositionen:

  • Ba-reich (x > 0,7): Ferroelektrisch bei Raumtemperatur (hohe Polarisation).
  • Sr-reich (x < 0,3): Paraelektrisch (hohe dielektrische Abstimmbarkeit).
  • Zwischenstufe (x ≈ 0,5): Ausgewogene Eigenschaften für RF/Mikrowellenanwendungen.

Doping-Effekte:

DotierstoffAuswirkungen auf die BST-EigenschaftenAnwendungen
Nb⁵⁺↑ Leitfähigkeit, ↓ dielektrischer VerlustAbstimmbare Kondensatoren
Mn²⁺/Mn³⁺↓ AbleitstromRF-Geräte mit hoher Leistung
La³⁺schwächt die Ferroelektrizität abSpeicherplatz

2. Kristallstruktur

Perowskit-Gitter (ABO₃-Typ):

  • A-Seite: Ba²⁺/Sr²⁺ (12-koordinierte, große Kationen)
  • B-Seite: Ti⁴⁺ (6-koordiniert, kleines Kation)
  • O-Seite: O²- (bildet oktaedrische Koordination mit Ti)

Phasenübergänge:

PhaseStrukturTemperaturbereichEigenschaften
KubischPm 3m (Paraelectric)> T꜀Hohe εᵣ, geringer Verlust
TetragonalP4mm (Ferroelektrisch)Unterhalb von T꜀Spontane Polarisierung
OrthorhombischAmm2 (Ferroelektrisch)ZwischenberichtDehnungsempfindlich

Curie-Temperatur (T꜀): Einstellbar über Ba/Sr-Verhältnis (z.B., Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃ hat T꜀ ≈ 250K).

Zusammensetzung vs. Eigenschaften

ZusammensetzungEigenschaften
Reines BaTiO₃ (100% Ba)Hohe ferroelektrische Eigenschaften, hohe Dielektrizitätskonstante
Reines SrTiO₃ (100% Sr)Niedrigere Dielektrizitätskonstante, höhere Stabilität, bessere Hochfrequenzleistung
Gemischte ZusammensetzungAbstimmbare Dielektrizitätskonstante, einstellbares ferroelektrisches Verhalten

Vergleich mit anderen Perowskiten

MaterialStrukturHauptunterschied zu BST
BaTiO₃TetragonalHöhere T꜀ (~400K)
SrTiO₃KubischKeine Ferroelektrizität bei RT
PZTRhomboederHöher d₃₃ (Piezo)

Barium-Strontium-Titanat (BaₓSr₁₋ₓTiO₃, BST) ist ein vielseitige Perowskit-Keramik bekannt für seine abstimmbare dielektrische, ferroelektrische und piezoelektrische Eigenschaften. Durch die Einstellung der Ba/Sr-VerhältnisDie Phasenübergänge und das funktionelle Verhalten von BST können präzise für Anwendungen entwickelt werden, die von 5G abstimmbare Filter zu High-Density-Speichergeräte. Im Folgenden werden wir seine wichtigste Leistungsmerkmale.

Elektrische Eigenschaften von Barium Strontium Titanat

Eines der bemerkenswertesten Merkmale von Bariumstrontiumtitanat sind seine elektrischen Eigenschaften, zu denen eine hohe Dielektrizitätskonstante, Ferroelektrizität und Piezoelektrizität gehören. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich BST hervorragend für den Einsatz in Kondensatoren, Sensoren und Speichergeräten.

1. Abstimmbare dielektrische Reaktion:

BST ist für seine hohe Dielektrizitätskonstante bekannt, was bedeutet, dass es im Verhältnis zu seinem Volumen eine große Menge an elektrischer Ladung speichern kann. Die Dielektrizitätskonstante kann durch Variation des Verhältnisses von BaTiO₃ zu SrTiO₃ eingestellt werden. Bei Raumtemperatur hat BST eine hohe Dielektrizitätskonstante, was für die Verwendung in Kondensatoren, die eine hohe Ladungsspeicherkapazität benötigen, von Vorteil ist.

EigentumBST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)Bedeutung
Dielektrizitätskonstante (εᵣ)200-1.000 (bei 1 MHz)Hohe Ladungsspeicherkapazität
Abstimmbarkeit (Δεᵣ/εᵣ₀)Bis zu 70% (unter DC-Vorspannung)Ermöglicht spannungsgesteuerte Geräte
Verlusttangente (tan δ)0,002-0,02 (bei GHz)Geringe Energieverluste in RF-Schaltungen

2. Ferroelektrische Polarisation:

BST weist ein ferroelektrisches Verhalten auf, d. h. es kann einen permanenten Polarisationszustand aufrechterhalten, auch wenn kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist. Dies ist entscheidend für Anwendungen wie nichtflüchtige Speicher, bei denen die gespeicherte Ladung auch ohne kontinuierliche Stromversorgung intakt bleiben muss.

ParameterBST (x = 0,7)BST (x = 0,3)
Remanente Polarisierung (Pᵣ)5-10 µC/cm²~0 (paraelektrisch)
Koerzitivfeld (E꜀)1-3 kV/cmK.A.

Zusammensetzungsabhängige Hysterese:

  • Ba-reich (x > 0,7): Ferroelektrisch bei RT (verwendbar in nichtflüchtigem Speicher).
  • Sr-reich (x < 0,3): Paraelectric mit lineare εᵣ-Abstimmbarkeit (ideal für die HF-Abstimmung).

3. Piezoelektrizität

BST ist auch piezoelektrisch, d. h. es erzeugt eine elektrische Ladung, wenn es mechanisch belastet wird. Diese Eigenschaft macht es nützlich für Anwendungen wie Ultraschallsensoren und -aktoren, bei denen eine mechanische Verformung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Piezoelektrische Koeffizienten:

ParameterBa-reiche BST (x > 0,7)Sr-reiche BST (x < 0,3)
d₃₃ (pC/N)50-200<5 (vernachlässigbar)
d₃₁ (pC/N)-20 bis -80~0
kₜ (Kopplungskoeffizient)0.3-0.5<0.1

Mechanismus:

  • Ba-rich BST: Ferroelektrisch tetragonale Phase ermöglicht Ti⁴⁺-Ionenverdrängung unter Spannung → Piezoelektrizität.
  • Sr-reiche BST: Kubisch paraelektrische Phase fehlende spontane Polarisation → minimale Reaktion.

Vergleich mit klassischen Piezoelektrika:

Materiald₃₃ (pC/N)T꜀ (°C)Bester Anwendungsfall
BST (x=0,8)15030Abstimmbare Sensoren
PZT-5A374365Antriebe mit hoher Kraft
AlN5.5>2000RF-Filter

BST-VorteilSpannung abstimmbar d₃₃ (durch εᵣ-Modulation) → Adaptive Wandler.

4. Ableitstrom und Durchschlag

FaktorAuswirkungen auf BSTLösung
Sauerstoff Stellenangebote↑ LeckageMn/Nb-Dotierung
Korngrenzen↓ DurchschlagsspannungNanokristalline Filme
FilmdickeDünner = ↑ FeldtoleranzOptimierte Ablagerung

Typische Leistung:

  • Ableitstrom: 10-⁷-10-⁵ A/cm² (bei 100 kV/cm)
  • Feld für die Aufschlüsselung: 500-1000 kV/cm (Masse), 1-3 MV/cm (dünne Schichten)

5. Frequenzabhängiges Verhalten

MHz-GHz-Bereich:

  • εᵣ Abstimmbarkeit nimmt mit der Frequenz ab (Domänenwandbeiträge verblassen).
  • Optimal für 1-10 GHz (5G/mmWave-Anwendungen).

THz-Bereich:

  • Pyroelektrische Erkennung ist möglich (z. B. Sicherheitsbildgebung).

Vergleich mit konkurrierenden Materialien

Materialεᵣ Abstimmbarkeittan δ (10 GHz)Bester Anwendungsfall
BST★★★★★ (70%)★★★☆ (0.01)Abstimmbare RF-Geräte
PZT★★☆☆ (5%)★☆☆☆ (0.05)Aktuatoren/Sensoren
STO★★★☆ (30%)★★★★ (0.005)Quantensubstrate

Thermische Eigenschaften von Barium-Strontium Titanat

Barium-Strontium-Titanat (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) stellt aus zusammensetzungsabhängiges thermisches Verhaltenund ist daher entscheidend für temperaturstabile Elektronik, abstimmbare Bauelemente und Wärmesensoren. Nachstehend sind die wichtigsten thermischen Eigenschaften aufgeführt:

  • Hohe Temperaturstabilität: BST behält seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei, was für Anwendungen in Umgebungen mit schwankenden oder hohen Temperaturen entscheidend ist. Das Material kann Temperaturen von bis zu mehreren hundert Grad Celsius aushalten, ohne dass es zu nennenswerten Leistungseinbußen kommt.
  • Wärmeleitfähigkeit: BST hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, so dass es die Wärme effektiv ableiten kann. Dies ist besonders wichtig in der Hochleistungselektronik, wo die Beherrschung der Wärmeentwicklung ein wichtiges Anliegen ist.
  • Phasenübergänge: Bei bestimmten Temperaturen kommt es bei BST zu Phasenübergängen zwischen tetragonaler und kubischer Struktur. Diese Phasenübergänge können sich auf die dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften des Materials auswirken, die bei der Entwicklung von Geräten für den Einsatz in unterschiedlichen Temperaturumgebungen wichtig sind.

1. Phasenübergänge und Curie-Temperatur (T꜀)

Zusammensetzung (Ba:Sr)Stabiles εᵣ über einen weiten BereichT꜀ (K)Thermische Stabilität
Ba₀.₈Sr₀.₂TiO₃Ferroelektrisch (tetragonal)~350Scharfer εᵣ-Peak bei T꜀
Ba₀.₅Sr₀.₅TiO₃Nahe der Phasengrenze~250Breite dielektrische Anomalie
Ba₀.₂Sr₀.₈TiO₃Paraelektrisch (kubisch)<50Stabiles εᵣ über einen weiten Bereich

2. Thermische Ausdehnung und Dehnungseffekte

EigentumBST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)Auswirkungen auf die Leistung
WAK (×10-⁶/K)9-11 (25-500°C)Passt schlecht zu Si (3.5) → Risiko der Filmrissbildung
Substrat Fehlanpassung DehnungBis zu 0,5% (auf MgO)Dose Verbesserung der εᵣ-Abstimmbarkeit oder eine Delamination verursachen

Strategien zur Schadensbegrenzung:
✔ Pufferschichten (z. B. LaAlO₃) für das Dünnschichtwachstum
✔ Benotete Kompositionen zur Verringerung der thermischen Belastung

3. Wärmeleitfähigkeit und Diffusionsfähigkeit

EigentumBST (Massengut)BST (Dünnschicht)
κ (W/m-K)2-31-2 (amorph)
D (mm²/s)0.5-0.80.3-0.5

Auswirkungen:

  • Niedrig κ schränkt Anwendungen mit hoher Leistung ein (Probleme mit der Wärmeableitung).
  • Film κ wird durch Korngrenzen/Defekte weiter reduziert.

4. Stabilität bei hohen Temperaturen

UmweltBST-VerhaltenFehlermodus
Luft (≤800°C)StabilSauerstoffverlust >900°C
Vakuum (≤600°C)Ti⁴⁺ → Ti³⁺ ReduktionErhöhte Leckage

Lösungen:

  • Mn/Nb-Dotierung unterdrückt die Bildung von Sauerstofflücken.
  • Verkapselung (z. B. Al₂O₃-Beschichtung) für raue Umgebungen.

Vergleich mit anderen Ferroelektrika

MaterialT꜀ (°C)WAK (×10-⁶/K)κ (W/m-K)Bester thermischer Anwendungsfall
BST (x=0,6)-23102.5Abstimmbare RF-Filter
PZT3654-61.2Hoch-T-Aktuatoren
STO-2509.412Kryogenische Substrate

BST-VorteilMaßgeschneiderte T꜀ für spezifische Betriebsbereiche.

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Mechanische Eigenschaften von Barium-Strontium-Titanat

Barium-Strontium-Titanat (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) stellt aus zusammensetzungsabhängiges mechanisches Verhaltenkritisch für Dünnschichtgeräte, MEMS-Sensoren und langlebige Elektronik. Nachfolgend sind die wichtigsten mechanischen Eigenschaften aufgeführt:

  • Härte und Festigkeit: BST ist relativ hart und kann mechanischen Belastungen standhalten. Aufgrund seiner Druckbeständigkeit eignet es sich für Anwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer erforderlich ist, wie z. B. bei strukturellen Komponenten von elektronischen Geräten.
  • Elastischer Modul: BST hat einen hohen Elastizitätsmodul, d. h. es ist steif und verformungsbeständig. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich bei piezoelektrischen Anwendungen, bei denen das Material seine Form und Struktur beibehalten muss, während es mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
  • Bruchzähigkeit: Obwohl BST ein keramisches Material ist und von Natur aus spröde ist, hat es dennoch eine gute Bruchzähigkeit, d. h. es kann der Rissausbreitung unter Belastung widerstehen.

1. Elastizitätsmodul und Härte

EigentumBST (Massengut)BST (Dünnschicht)Bedeutung
Elastizitätsmodul (E)120-160 GPa80-120 GPa (Filmspannungseffekte)Bestimmt die Steifigkeit
Vickers-Härte (HV)5-7 GPa4-6 GPaKratz- und Verschleißfestigkeit
Querkontraktionszahl (ν)0.25-0.300.20-0.25Verteilung der Dehnung

Hinweis:

  • Filme ausstellen niedriger E aufgrund von Korngrenzen und Defekten.
  • Ba-reiche Zusammensetzungen sind etwas härter (höhere Ti-O-Bindungsstärke).

2. Bruchzähigkeit und Sprödigkeit

ParameterBST (Massengut)Vergleich (Al₂O₃ / Si)
Bruchzähigkeit (K꜀c)1,0-1,5 MPa√mAl₂O₃: 3-4 MPa√m
Biegefestigkeit80-120 MPaSi: 1-3 GPa (aber spröde)

Herausforderungen:

  • Niedrig K꜀c → Rissbildung bei mechanischer/thermischer Belastung.
  • Spröde Natur schränkt die Verwendung in Umgebungen mit hoher Beanspruchung ein.

Lösungen:

  • Dotierung (Mn, Mg) zur Verfeinerung der Kornstruktur
  • Polymer-Verbundwerkstoffe für flexible Elektronik

Vergleich mit anderen Keramiken

MaterialE (GPa)K꜀c (MPa√m)Bester mechanischer Anwendungsfall
BST1401.2Abstimmbare RF MEMS
PZT700.9Hochbeanspruchte Aktoren
AlN3302.5Ultraschall-Wandler

BST Trade-offs:

  • Weicher als AlN sondern bietet feldabstimmbare Steifigkeit.
  • Spröder als PZT sondern mit geringerer dielektrischer Verlust.

Magnetische Eigenschaften von Barium Strontium Titanat

Barium-Strontium-Titanat (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) ist vor allem bekannt für seine ferroelektrische und dielektrische Eigenschaftenaber sie weist auch folgende Merkmale auf schwachmagnetisches Verhalten unter bestimmten Bedingungen. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse seiner magnetischen Eigenschaften:

Intrinsisches magnetisches Verhalten:

EigentumBST (BaₓSr₁₋ₓTiO₃)Anmerkungen
Diamagnetische Dominanzχ ≈ -10-⁷ bis -10-⁶ (SI)Schwache, negative Empfänglichkeit
Paramagnetischer Beitragχ ≈ +10-⁶ (wenn mit Mn/Fe dotiert)Von ungepaarten 3d-Elektronen
Ferromagnetische OrdnungKeine (undotierte BST)Erfordert Dotierung mit Übergangsmetallen

Hinweis:

  • Reines BST ist nicht-magnetisch (diamagnetisch).
  • Dotierung mit Mn²⁺/Fe³⁺ führt lokalisierten Paramagnetismus ein, aber keine langreichweitige Ordnung.

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Die wichtigsten Anwendungen von Barium-Strontium-Titanat

Die einzigartige Kombination elektrischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften macht Barium-Strontium-Titanat (BST) zu einem idealen Material für zahlreiche High-Tech-Anwendungen. Einige häufige Verwendungen von BST sind:

  • Kondensatoren: Die hohe Dielektrizitätskonstante von BST macht es zu einem idealen Material für Kondensatoren, insbesondere in Hochfrequenzanwendungen wie der Telekommunikation.
  • Speichergeräte: Die ferroelektrischen Eigenschaften von BST eignen sich für nichtflüchtige Speichergeräte, die Daten ohne Stromzufuhr speichern. Diese Eigenschaften sind besonders wertvoll für Geräte wie FeRAM (Ferroelectric RAM).
  • Sensoren und Aktuatoren: Die piezoelektrischen Eigenschaften von BST ermöglichen die Umwandlung von mechanischer Spannung in ein elektrisches Signal und umgekehrt, wodurch es für Sensoren und Aktoren in verschiedenen Anwendungen wie Drucksensoren, Vibrationssensoren und Präzisionskontrollsystemen nützlich ist.
  • Mikrowellengeräte: BST wird aufgrund seiner hohen Dielektrizitätskonstante und seiner Fähigkeit, bei hohen Frequenzen effizient zu arbeiten, in Mikrowellenanwendungen eingesetzt. Es wird in Geräten wie abstimmbaren Kondensatoren und Phasenschiebern für Kommunikationssysteme verwendet.
  • Energieernte: Die piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von BST machen es auch zu einem potenziellen Kandidaten für Energy Harvesting-Geräte, bei denen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
  • Optoelektronik: BST wird aufgrund seiner abstimmbaren dielektrischen Eigenschaften und seiner Fähigkeit, mit elektrischen und optischen Feldern zu interagieren, für den Einsatz in optoelektronischen Geräten, wie z. B. Lichtmodulatoren, erforscht.

Unter Zentrum für Hochleistungskeramikliefern wir leistungsstarke Barium-Strontium-Titanat-Produkte in verschiedenen Formen und Spezifikationen für eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Forschung. hervorragende Qualität und Zuverlässigkeit.

FAQ

FrageAntwort
Was ist Barium-Strontium-Titanat (BST)?BST ist ein keramisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und ferroelektrischen Eigenschaften, das in der Elektronik und in Sensoren verwendet wird.
Was sind die wichtigsten Anwendungen von BST?BST wird in Kondensatoren, Speichergeräten, Sensoren, Aktoren und Mikrowellengeräten verwendet.
Wie verbessert BST die Leistung von Kondensatoren?Dank der hohen Dielektrizitätskonstante von BST können Kondensatoren mehr Energie speichern und bei hohen Frequenzen effizient arbeiten.
Kann BST für die Energiegewinnung genutzt werden?Ja, die piezoelektrischen Eigenschaften von BST eignen sich für die Energiegewinnung durch Umwandlung mechanischer Energie in Elektrizität.
Wird BST in Speichergeräten verwendet?Ja, seine ferroelektrischen Eigenschaften machen BST ideal für nichtflüchtige Speicher wie FeRAM.
Was sind die Vorteile von BST bei Sensoren?Die piezoelektrischen Eigenschaften von BST ermöglichen es, Änderungen von Druck, Vibration und anderen mechanischen Belastungen effektiv zu erkennen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Barium-Strontium-Titanat (BST) ein vielseitiges Material mit außergewöhnlichen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften ist, die es für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen. Seine hohe Dielektrizitätskonstante, Ferroelektrizität, Piezoelektrizität und abstimmbaren Eigenschaften haben seine Verwendung in wichtigen Technologien wie Kondensatoren, Speichergeräten, Sensoren und Aktoren ermöglicht. Da wir weiterhin neue Grenzen in der Elektronik- und Energietechnologie erforschen, wird die Rolle von BST wahrscheinlich noch bedeutender werden. Ihre Bedeutung in Bereichen wie Telekommunikation, Energy Harvesting und Optoelektronik unterstreicht ihr Potenzial, Innovationen in verschiedenen High-Tech-Sektoren voranzutreiben. Daher wird die laufende Forschung und Entwicklung im Bereich der BST zweifellos eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der modernen Technologie spielen.

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