CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ 1.1 Tổng quan về các vật liệu sắt điện Sắt điện (Ferroelectrics) là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện – điện tử như RAM máy tính, bộ nhớ, tụ điện, cảm biến, thẻ RFID, ống dẫn sóng, phần tử áp điện, transistors, máy phát nano, v. Không quá khi nói rằng, công nghệ điện – điện tử không thể phát triển như ngày nay nếu không có sự đóng góp to lớn của dòng vật liệu này. Một trong những tính chất đóng vai trò quan trọng giúp cho sắt diện được ứng dụng thực tế là tính phi tuyến của các tham số điện sinh ra do sự phân cực tự phát trong các domen ở điều kiện thông thường. Dưới tác dụng của điện áp xoay chiều, các vách domen có khả năng dịch chuyển.
Thêm vào đó, dưới tác dụng của nhiệt độ, pha sắt điện (vùng quan trọng trong các ứng dụng thực tế) sẽ chuyển sang pha thuận điện. Ngoài ra, tính chất điện của vật liệu sắt điện cũng rất nhạy dưới tác dụng của ánh sáng. Từ đó, các tham số điện của vật liệu sẽ dễ dàng điều khiển bằng các tác nhân bên ngoài, giúp nó tương thích dễ dàng hơn với các ứng dụng thực tế. TGS cũng là một trong những vật liệu sắt điện được biết đến rộng rãi trong giới nghiên cứu và úng dụng thực tiễn.
TGS là vật liệu sắt điện phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất như máy dò hồng ngoại, hình ảnh nhiệt và các ứng dụng cảm biến hồng ngoai khác vì hệ số nhiệt điện cao trong số các vật liệu có sẵn [15]. Cảm biến nhiệt điện dựa trên TGS là nhạy cảm đồng đều với các bức xạ trong dải bước song từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa, và không yêu cầu làm mát cho hoạt động so với máy dò lượng tử, nơi yêu cầu làm mát ở nhiệt độ thấp. Các cấu trúc tinh thể của TGS là đơn lẻ bên dưới nhiệt độ 49 độ C. Các nghiên cứu phát triển chủ yếu tập trung vào việc hiểu cơ chế tăng trưởng, cải thiện hiệu suất máy dò nhiệt điện và sửa đổi các đặc tính nhiệt điện mong muốn bằng cách pha tạp TGS tinh thể với chất pha tạp vô cơ và hữu cơ.
4 Đã có nhiều nghiên cứu về việc cải tiến tính chất điện của vật liệu vật liệu TGS sử dụng các tinh thể nano khác, ví dụ như kết hợp với trên tinh thể nano cellulose. Kết quả cho thấy, sự hiện diện của một hoặc hai đỉnh nhiệt độ phụ thuộc của điện môi đã được phát hiện và sự thay đổi của chúng sang nhiệt độ cao hơn so với TGS từ 49 °C đến 54 °C và 100 °C đã được phát hiện. Điều này chứng tỏ về kết quả có liên quan đến sự xuất hiện của các trường phân cực bên trong trong các nanocomposites [16]. Ngoài ra, một nghiên cứu khác sử dụng các hạt nano silicon dioxide tác động lên tính chất điện của vật liệu sắt điện cổ điển TGS ở tần số 102÷107 Hz trong pha sắt điện cũng được thực hiện.
Một hỗn hợp hỗn hợp ở các tỷ lệ khối lượng thành phần khác nhau đã được tổng hợp. Nó đã được chỉ ra rằng tần số tích thoát của TGS giảm so với các TGS đơn tinh thể và được chuyển xuống tần số thấp hơn với hàm lượng silicon dioxide tăng lên. Vùng sắt điện đặc trưng cho các tinh thể đơn lẻ của triglycine sulfate đã được mở rộng. Các bất thường thu được được giải thích dựa trên giả định về sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần tổng hợp thông qua các liên kết hydro [17].
Tính chất điện của TGS có thể điều khiển bằng cách đưa nó vào trong mạng lưới ống nano tự nhiên hoặc nhân tạo, hoặc thêm tạp chất trong quá trình tổng hợp vật liệu TGS, ví dụ sự kết hợp vật liệu sắt điện TGS và các chất tương tự với TGS bằng cách bổ sung L, α-alanine và crom vào mạng lưới ống nano Al2O3 và SiO2. Kết quả cho ta thấy rằng, tính chất điện của vật liệu có liên quan đến sự vận chuyển điện tích chủ yếu thông qua các vật liệu sắt điện nhúng trong tổ hợp xốp. Cơ chế trên được đề xuất để giải thích cho sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển pha bao gồm sắt điện trong điều kiện kích thước hạn chế ở kích thước nano, được thúc đẩy bởi sự khác biệt giữa các hệ số giãn nở nhiệt của Ttổ hợp xốp và điện môi nhúng [18]. Ngoài alanin, các tinh thể TGS pha tạp niken đã được phát triển bằng phương pháp bay hơi tự nhiên.
Thành phần hóa học của các tinh thể TGS tinh khiết và sự hiện diện của ion niken trong tinh thể TGS pha tạp đã được xác nhận bằng phân tích 5 bằng phổ tán xạ X. Các nhóm chức năng của các tinh thể trưởng thành đã được xác định bởi quang phổ hồng ngoại Fourier Transform. Các nghiên cứu cấu trúc trên các tinh thể tạo thành được thực hiện bằng phân tích nhiễu xạ tia X. Tất cả các tinh thể phát triển được tìm thấy trong cấu trúc monoclinic và các thông số mạng của tinh thể TGS tinh khiết là a = 9.
Các thông số mạng tinh thể hơi méo do sự kết hợp của ion niken vào các vị trí mạng của tinh thể TGS [19]. Về mặt ứng dụng ứng dụng trong máy dò hồng ngoại, các tinh thể đơn lẻ của TGS pha tạp với Pt4+ và L-alanin (LATGS/Pt(IV)) được phát triển từ dung dịch nước bằng phương pháp làm mát chậm. Hình thái bề mặt, cấu trúc miền và các vòng điện trễ P−E đã được nghiên cứu. Khả năng tăng trưởng xúc tác của 〈001〉 kim tự tháp tinh thể trên cơ sở các phức hợp kim loại-glycine được đề xuất.
Và đã tìm thấy trên cơ sở kết quả thử nghiệm, rằng tinh thể LATGS / Pt (IV) là vật liệu tuyệt vời để xây dựng máy dò hồng ngoại. Các tham số điện được đo ở nhiệt độ phòng đến 55 °C. Độ dẫn ac của vật liệu tổng hợp ở 1 MHz cho thấy sự phụ thuộc nhiệt độ rất yếu. Độ dẫn dc cho 20% và 40% hàm lượng DTGS (theo trọng lượng) tổng hợp cho thấy xuất hiện hiện tượng các hạt dẫn điện được kích hoạt và tuân theo cơ chế hoạt hóa [21].
Xét về ảnh hưởng của các trường khử phân cực và hiệu ứng sàng lọc đối với quá trình chuyển pha trong vật liệu tổng hợp điện môi, nhiệt độ của quá trình chuyển đổi sang trạng thái phân cực trong vật liệu tổng hợp sắt điện, đại diện cho các chất sắt điện cầu được nhúng trong ma trận điện môi, dưới hiệu ứng trường khử cực cũng được nghiên cứu. Nhiệt độ này được xác định cả trong trường hợp không có và sự hiện diện của hiệu ứng sàng lọc của trường khử cực và của các điện tích ràng buộc của sự phân cực tự phát ở bề mặt vật liệu. Hiệu ứng sàng lọc cho thấy sự thay đổi 6 nhiệt độ chuyển tiếp giảm thông qua việc nhân giá trị với một yếu tố giảm bằng tỷ lệ chiều dài sàng lọc với bán kính hạt sắt điện [22]. Phương pháp thử nghiệm: Tuy nhiên, có một số điểm bất lợi trong tinh thể TGS nguyên chất, đó là xu hướng khử cực của nó, phạm vi hoạt động ở nhiệt độ thấp và độ trễ nhiệt của các biến xác định giá trị của các số liệu nhiệt điện.
Để tránh những điều này, các chất lưỡng cực pha tạp hữu cơ khác, chẳng hạn như urê và nitro-anilin có khả năng làm giảm sự khử cực [23], và tăng các số liệu nhiệt điện, đó là các thông số vật liệu thiết yếu để xác định việc sử dụng chúng trong các ứng dụng cảm biến hồng ngoại. Các tinh thể đơn của TGS tinh khiết và pha tạp là phát triển bằng phương pháp hạ nhiệt độ tăng trưởng được hiển thị trong Hình 1. Khung sắt có rãnh giữ hai máy khuấy và khay chứa hạt giống động cơ. Chuyển động qua lại của khay giữ hạt giống được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử, được thiết kế và chế tạo trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.
Sự bay hơi của dung dịch TGS trong ngăn kết tinh dọc theo thanh giữ hạt được giảm thiểu bằng một lớp đệm dầu silicon. Dung dịch bão hòa của TGS tinh khiết và pha tạp ở 40 độ C được điều chế trong nước khử tính và hóa chất ở dạng bột kết tinh TGS. Kích thước của hạt, chiều của hạt sex được đo và được ghi lại cùng với khối lượng của hạt. Bộ giữ hạt và tinh thể hạt đã được làm nóng trước đến 41 độ C trước khi đưa vào tế bào sinh trưởng để tránh sốc nhiệt đối với hạt.
Các tinh thể hạt được phép hòa tan một chút trước nhiệt độ đã được hạ xuống nhiệt độ bão hòa chính xác và sau đó được giữ trong 24 giờ. Một kỹ thuật quang học đã được sử dụng để kiểm tra nhiệt độ bão hòa chính xác bằng cách quan sát phát triển hoặc hòa tan chùm tinh thể hạt. 7 1- Động cơ pittong 10- Bơm tuần hoàn chất lỏng 2- Giá đỡ động cơ 11- Máy đun nước 3- Que thủy tinh gắn hạt 12- Bộ lập trình và điều khiển nhiệt độ 4- Tấm chắn hạn chế bay hơi 13- Bể nước thủy tinh 5- Nhiệt kế thủy tinh. 14- Tế bào phát triển tinh thể Pyrex 6- Nắp đậy thủy tinh kín khí 15- Hạt giống/ Tinh thể 7- Lò ủ sau khi tăng trưởng 16- Cánh khuấy 8- Điều khiển nhiệt điện trở 17- Ron cao su 9- Bộ phận ghi điện trở Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết lập sự phát triển tinh thể [23] Sau đó, nhiệt độ dung dịch được hạ xuống với nhiệt độ được lập trình giảm từ ban đầu 0,1 độ C đến 0,3 độ C trên 1 ngày.
Tất cả các thông số tăng trưởng khác như tốc độ khuấy, nhiệt độ tăng trưởng và tốc độ hạ nhiệt độ đều được giữ nguyên cho tất cả các thí nghiệm tăng trưởng tinh thể để cân bằng ảnh hưởng của chúng đến các đặc tính của tinh thể tạo thành. Sau khi hoàn thành quá trình tăng trưởng, các tinh thể đã 8 được loại bỏ khỏi dung dịch và làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng trong bởi một lò nướng đặc biệt để tránh sốc nhiệt.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hệ số nhiệt điện. (A) Đối với tinh thể DTGS, (B) Đối với Tinh thể DTGS-AN [23] Trạng thái hệ số nhiệt điện (pyroelectric) của tinh thể DTGS và DTGS-AN so với nhiệt độ là được đại diện trong hình 1. Kết quả thu được trong quá trình chạy sưởi ấm.
Điện môi hệ số tăng lên, trong khi hằng số điện môi cho DTGS-AN đã giảm so với tinh thể DTGS tinh khiết.