Khóa luận: Tổng hợp vật liệu Nano YFe1-xCoxO3 bằng phương pháp đồng kết tủa

Khóa luận sư phạm Hóa: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano YFe1-xCoxO3 bằng phương pháp đồng kết tủa. Tìm hiểu quy trình, ứng dụng tiềm năng vật liệu mới.

• Tác giả: Châu Hồng Diễm
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Anh Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư phạm Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano YFe1-xCoxO3 bằng phương pháp đồng kết tủa
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU VÀ
• 1. CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu về vật liệu nano và công nghệ nano
• 1.1. Vật liệu nano
• 1.2. Công nghệ nano
• 1.3. Khái quát về vật liệu perovskite ABO
• 1.3.1. Vật liệu perovskite thuần
• 1.3.2. Vật liệu perovskite pha tạp
• 1.3.3. Công nghệ chế tạo nano perovskite
• 1.4. Phương pháp Sol-gel
• 1.5. Phương pháp đẳng kết tủa
• 1.6. Phương pháp Blasi
• 1.7. Một số phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu
• 1.7.1. Phương pháp phân tích nhiệt
• 1.7.2. Phương pháp phân tích thành phân hóa học bang phổ tản sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, viết tắt: EDX)
• 1.7.3. Phương pháp phân tích cấu trúc bằng nhiễu xa tia X (X-ray diffraction, viết tắt:
• 1.8. Khảo sát hình thai hoc bằng kính hiển vi điện tứ truyen qua (transmission electron microscopy, viết tắt: TEM)
• 1.9. Khảo sát tinh chất từ bằng từ kế mâu rung (vibrating sample magnetometer, viết tät- VŠM)
• 2. THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ
• 2.2. Phương pháp tiến hànhh
• 2.3. Kết quả và thảo luận
• 2.3.1. Kết quả phân tích giản đồ nhiều xạ tỉa ÄÝ
• 2.3.2. Kết quả phan tích pho tan sắc năng lượng tỉa ÀX
• 2.3.3. Kết quá khảo sát hình thải học bằng kính hiển vì điện tứứ
• TÀI LIỆU THAM RUA
• PHÙ

Tóm tắt

I. Khám phá vật liệu nano YFe1 xCoxO3 Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, các vật liệu nano với cấu trúc đặc biệt luôn là tâm điểm của sự chú ý nhờ những tính chất vượt trội so với vật liệu dạng khối. Một trong những cấu trúc hứa hẹn nhất là cấu trúc perovskite (ABO3), nổi bật với độ bền cao, tính ổn định và sự đa dạng về tính chất điện-từ. Nghiên cứu tập trung vào Yttrium Orthoferrite (YFeO3), một loại ferrite quý hiếm với nhiều tiềm năng ứng dụng. Tuy nhiên, để tối ưu hóa và mở rộng khả năng ứng dụng, việc biến tính vật liệu là cần thiết. Khóa luận "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano YFe1-xCoxO3 bằng phương pháp đồng kết tủa" của tác giả Châu Hồng Diễm đã đi sâu vào giải pháp pha tạp Coban (Co) vào mạng tinh thể YFeO3. Việc thay thế một phần ion Fe³⁺ bằng ion Co²⁺/Co³⁺ được kỳ vọng sẽ tạo ra những thay đổi đáng kể về cấu trúc và đặc biệt là tính chất từ của vật liệu. Sự thay đổi này không chỉ tạo ra các trạng thái hóa trị hỗn hợp mà còn làm biến dạng mạng tinh thể, dẫn đến sự xuất hiện của các hiệu ứng vật lý mới. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết các kết quả từ nghiên cứu, từ quy trình tổng hợp, các phương pháp đặc trưng hóa, đến việc đánh giá các tính chất quan trọng, cung cấp một cái nhìn toàn diện về tiềm năng của vật liệu đa sắt (multiferroic) này trong các ứng dụng công nghệ cao như linh kiện điện tử, cảm biến khí hay xúc tác.

1.1. Yttrium Orthoferrite YFeO3 Nền tảng cấu trúc perovskite

Yttrium Orthoferrite (YFeO3) là một hợp chất gốm thuộc họ perovskite với công thức chung ABO3. Trong cấu trúc này, ion Y³⁺ chiếm vị trí A và ion Fe³⁺ chiếm vị trí B. Vật liệu này có cấu trúc tinh thể trực thoi, là một biến thể từ cấu trúc lập phương lý tưởng. YFeO3 nguyên bản đã thể hiện các tính chất từ thú vị, đặc biệt là tính sắt từ yếu ở nhiệt độ phòng, cùng với các đặc tính quang và điện độc đáo. Những đặc tính này làm cho nó trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng trong thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến và xúc tác quang. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghệ, việc cải thiện và điều chỉnh các tính chất này là vô cùng cần thiết.

1.2. Tại sao pha tạp Coban là giải pháp đột phá cho YFeO3

Việc pha tạp Coban vào mạng tinh thể YFeO3 là một chiến lược hiệu quả để điều chỉnh các tính chất của vật liệu. Ion Co²⁺ có bán kính ion (0.078 nm) khác biệt so với Fe³⁺ (0.067 nm), sự thay thế này gây ra sự biến dạng cục bộ trong mạng tinh thể. Theo luận án của Đỗ Thị Anh Thư, việc pha tạp Co vào hệ LaFeO3 không chỉ tạo ra trạng thái hóa trị hỗn hợp mà còn làm thay đổi tính dẫn điện và hiệu ứng xúc tác. Tương tự, trong hệ YFe1-xCoxO3, sự hiện diện của Co được kỳ vọng sẽ làm thay đổi tương tác trao đổi từ giữa các ion kim loại, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ như từ độ bão hòa và lực kháng từ. Hơn nữa, sự thay đổi trong cấu trúc điện tử do Co mang lại cũng có thể cải thiện tính chất quang và hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.

II. Hướng dẫn tổng hợp nano YFe1 xCoxO3 bằng đồng kết tủa

Để chế tạo vật liệu nano YFe1-xCoxO3, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp đóng vai trò quyết định đến độ tinh khiết, tính đồng nhất và kích thước hạt của sản phẩm. Các phương pháp truyền thống như phản ứng pha rắn thường đòi hỏi nhiệt độ cao, thời gian dài và sản phẩm có kích thước lớn, không đồng đều. Ngược lại, các phương pháp hóa học ướt như phương pháp sol-gel hay phương pháp đồng kết tủa mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Trong nghiên cứu của Châu Hồng Diễm, phương pháp đồng kết tủa đã được lựa chọn. Phương pháp này nổi bật nhờ sự đơn giản, nhanh chóng, không yêu cầu thiết bị phức tạp và cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt sản phẩm ở nhiệt độ nung thấp. Quá trình này đảm bảo các cation Y³⁺, Fe³⁺ và Co²⁺ được kết tủa đồng thời dưới dạng hydroxide, tạo ra một hỗn hợp tiền chất cực kỳ đồng nhất ở cấp độ phân tử. Sự đồng nhất này là yếu tố then chốt để hình thành đơn pha perovskite tinh khiết sau quá trình nung, tránh sự xuất hiện của các pha tạp không mong muốn như Y₂O₃ hay các oxit riêng lẻ của sắt và coban. Việc kiểm soát các điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, và nồng độ dung dịch là rất quan trọng để thu được sản phẩm cuối cùng với các đặc tính mong muốn.

2.1. Quy trình thực nghiệm chi tiết của phương pháp đồng kết tủa

Quy trình tổng hợp bắt đầu bằng việc hòa tan các muối nitrate của Yttrium, Sắt và Coban (Y(NO₃)₃, Fe(NO₃)₃, Co(NO₃)₂) trong nước cất theo tỷ lệ mol đã tính toán trước. Dung dịch hỗn hợp muối này sau đó được nhỏ từ từ vào nước nóng (> 90°C) và khuấy liên tục. Tác nhân kết tủa, dung dịch KOH 5%, được thêm vào để kết tủa đồng thời các ion kim loại dưới dạng hydroxide. Lượng KOH được dùng dư 10% để đảm bảo quá trình kết tủa diễn ra hoàn toàn. Kết tủa sau đó được lọc, rửa sạch nhiều lần với nước cất để loại bỏ ion tạp và sấy khô tự nhiên. Bột tiền chất thu được sẽ được nghiền mịn trước khi đưa vào lò nung.

2.2. Vai trò của nhiệt độ nung trong việc hình thành đơn pha

Nhiệt độ nung là yếu tố quyết định đến sự hình thành pha tinh thể và kích thước hạt của vật liệu nano YFe1-xCoxO3. Dựa trên kết quả phân tích nhiệt (TGA/DTA), quá trình chuyển hóa từ hydroxide thành pha perovskite bắt đầu diễn ra ở nhiệt độ tương đối thấp. Nghiên cứu đã tiến hành nung mẫu ở các nhiệt độ khác nhau (700°C, 800°C, 900°C). Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy pha perovskite đơn nhất, có cấu trúc trực thoi, đã hình thành ở cả ba mức nhiệt độ này. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ nung, cường độ các đỉnh nhiễu xạ tăng lên và độ rộng đỉnh giảm, cho thấy mức độ kết tinh tốt hơn và kích thước tinh thể lớn hơn. Cụ thể, kích thước tinh thể trung bình tăng từ 27.2 nm (700°C) lên 31.7 nm (900°C), điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất từ của vật liệu.

III. Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu nano YFeO3

Việc xác định và hiểu rõ các đặc trưng của vật liệu tổng hợp được là bước không thể thiếu trong bất kỳ khóa luận tốt nghiệp nào về khoa học vật liệu. Để đánh giá toàn diện vật liệu nano YFe1-xCoxO3, một loạt các kỹ thuật phân tích hiện đại đã được sử dụng. Mỗi phương pháp cung cấp một mảnh ghép thông tin quan trọng, từ cấu trúc vi mô, hình thái bề mặt, thành phần nguyên tố cho đến các tính chất vật lý cốt lõi. Nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ cơ bản để xác nhận sự hình thành pha tinh thể mong muốn và xác định các thông số mạng. Trong khi đó, các kỹ thuật hiển vi điện tử như hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép quan sát trực tiếp hình dạng và kích thước của các hạt nano. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) đi kèm giúp xác định thành phần hóa học tại các vị trí vi mô, khẳng định sự phân bố đồng đều của các nguyên tố Y, Fe, Co. Cuối cùng, để khảo sát các tính chất chức năng, từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng để đo lường các đặc trưng từ tính, và phổ hấp thụ UV-Vis dùng để nghiên cứu tính chất quang. Sự kết hợp của các phương pháp này tạo nên một bức tranh hoàn chỉnh về vật liệu YFe1-xCoxO3.

3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X XRD

Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) là phương pháp cốt lõi để xác nhận sự thành công của quá trình tổng hợp. Giản đồ XRD của các mẫu YFe1-xCoxO3 sau khi nung ở 800°C cho thấy các đỉnh nhiễu xạ hoàn toàn trùng khớp với phổ chuẩn của YFeO3 (mã 01-086-0171), khẳng định sự hình thành đơn pha cấu trúc perovskite dạng trực thoi. Quan trọng hơn, không có sự xuất hiện của bất kỳ đỉnh nhiễu xạ nào từ các pha tạp, chứng tỏ các ion Co đã đi vào mạng tinh thể của YFeO3. Dựa vào công thức Debye-Scherrer, kích thước tinh thể trung bình của các mẫu được xác định trong khoảng 27-32 nm, xác nhận vật liệu có kích thước nano.

3.2. Khảo sát hình thái học qua hiển vi điện tử SEM và TEM

Để có cái nhìn trực quan về hình thái và kích thước hạt, kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã được áp dụng. Ảnh TEM của các mẫu cho thấy các hạt nano có hình dạng tương đối đồng đều với kích thước dao động trong khoảng 50-70 nm. Kích thước hạt quan sát được từ TEM lớn hơn so với kích thước tinh thể tính toán từ XRD. Điều này được giải thích là do sự kết tụ của nhiều tinh thể nhỏ để tạo thành các hạt lớn hơn. Mặc dù có sự tụ đám, kết quả vẫn khẳng định vật liệu tổng hợp được có kích thước nằm trong thang nano, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi diện tích bề mặt lớn.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất từ của nano YFe1 xCoxO3

Một trong những mục tiêu chính của việc pha tạp Coban vào YFeO3 là để điều chỉnh tính chất từ của nó. Các phép đo từ tính được thực hiện bằng từ kế mẫu rung (VSM) ở nhiệt độ phòng đã cung cấp những kết quả sâu sắc về sự ảnh hưởng của cả nhiệt độ nung và nồng độ pha tạp. Tất cả các mẫu YFe1-xCoxO3 tổng hợp được đều thể hiện hành vi của vật liệu từ mềm, đặc trưng bởi đường cong từ trễ hẹp, lực kháng từ (Hc) và từ dư (Mr) thấp. Đặc tính này rất phù hợp cho các ứng dụng trong các thiết bị hoạt động ở tần số cao. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ nung từ 700°C lên 900°C, kích thước hạt tăng lên, dẫn đến sự gia tăng của cả lực kháng từ và từ dư. Đáng chú ý hơn là ảnh hưởng của nồng độ Co. Việc tăng tỷ lệ Co trong mẫu làm tăng lực kháng từ và từ dư, nhưng lại làm giảm từ độ bão hòa (Ms). Sự thay đổi này mở ra khả năng điều khiển chính xác các đặc trưng từ của vật liệu chỉ bằng cách thay đổi thành phần hóa học, một yếu tố cực kỳ quan trọng trong thiết kế linh kiện điện tử và vật liệu ghi từ.

4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các đặc trưng từ tính

Nhiệt độ xử lý mẫu có tác động rõ rệt đến tính chất từ. Theo kết quả đo VSM, với mẫu YFe₀.₈Co₀.₂O₃, khi nhiệt độ nung tăng từ 700°C lên 900°C, lực kháng từ và từ dư đều tăng. Hiện tượng này có thể được giải thích thông qua sự tăng kích thước hạt trung bình. Đối với vật liệu nano, lực kháng từ thường tỷ lệ thuận với kích thước hạt (trong một khoảng nhất định). Hạt lớn hơn tạo ra các rào cản năng lượng lớn hơn cho sự dịch chuyển vách đômen từ, do đó cần một từ trường ngoài mạnh hơn để đảo chiều từ độ. Kết quả này phù hợp với các công trình nghiên cứu trước đây và cho thấy khả năng tinh chỉnh tính chất từ thông qua quá trình xử lý nhiệt.

4.2. Tác động của tỷ lệ pha tạp Coban đến từ độ bão hòa

Tỷ lệ pha tạp Coban (giá trị x) là yếu tố quyết định đến các đặc trưng từ nội tại của vật liệu. Kết quả đo cho thấy, khi tăng hàm lượng Co từ x=0.1 đến x=0.3, lực kháng từ và từ dư tăng lên. Điều này có thể do việc đưa Co vào mạng tinh thể làm tăng tính dị hướng từ tinh thể. Tuy nhiên, một hiện tượng quan trọng được quan sát là từ độ bão hòa lại giảm dần khi tăng tỷ lệ Co. Điều này có thể được giải thích do sự khác biệt trong mômen từ của ion Co²⁺ so với Fe³⁺ và sự thay đổi trong tương tác siêu trao đổi Fe-O-Fe, Fe-O-Co và Co-O-Co. Việc giảm từ độ bão hòa khi tăng nồng độ pha tạp cần được xem xét cẩn thận trong các ứng dụng cụ thể.

V. Tiềm năng ứng dụng của nano YFe1 xCoxO3 trong tương lai

Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano YFe1-xCoxO3 không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn mở ra nhiều hướng ứng dụng thực tiễn đầy hứa hẹn. Nhờ vào sự kết hợp độc đáo của các tính chất, loại vật liệu này có tiềm năng trở thành thành phần cốt lõi trong nhiều công nghệ tiên tiến. Khả năng điều chỉnh tính chất từ thông qua nồng độ pha tạp và nhiệt độ nung làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các thiết bị ghi từ, bộ nhớ và linh kiện điện tử thế hệ mới. Hơn nữa, với kích thước nano và diện tích bề mặt lớn, chúng có thể hoạt động hiệu quả như một chất xúc tác quang, tham gia vào quá trình phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Lĩnh vực cảm biến khí cũng là một mảnh đất màu mỡ, nơi sự thay đổi điện trở của vật liệu khi tiếp xúc với các loại khí khác nhau có thể được khai thác để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao. Đặc biệt, với bản chất là một vật liệu đa sắt (multiferroic) tiềm năng, YFe1-xCoxO3 có thể dẫn đến một cuộc cách mạng trong các thiết bị spintronics, nơi cả điện tích và spin của electron đều được khai thác để xử lý và lưu trữ thông tin.

5.1. Ứng dụng trong xúc tác quang và thiết bị cảm biến khí

Với cấu trúc perovskite và sự hiện diện của các ion kim loại chuyển tiếp, YFe1-xCoxO3 có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, khởi đầu cho các phản ứng oxy hóa-khử. Khả năng này làm cho nó trở thành một chất xúc tác quang tiềm năng để xử lý môi trường. Bên cạnh đó, sự thay đổi hóa trị của các ion Fe và Co trên bề mặt khi tương tác với các phân tử khí có thể làm thay đổi đáng kể độ dẫn điện của vật liệu. Đây là nguyên lý cơ bản để chế tạo các cảm biến khí nhạy và chọn lọc, ứng dụng trong việc giám sát môi trường và an toàn công nghiệp.

5.2. Hướng phát triển cho vật liệu đa sắt multiferroic thế hệ mới

Vật liệu đa sắt (multiferroic) là loại vật liệu thể hiện đồng thời ít nhất hai trong ba tính chất sắt (sắt điện, sắt từ, sắt đàn hồi). YFeO3 là một vật liệu sắt từ, và việc pha tạp có thể khơi dậy hoặc tăng cường các tính chất sắt điện, tạo ra hiệu ứng điện từ (magnetoelectric). Khả năng điều khiển từ tính bằng điện trường và ngược lại mở ra những ứng dụng đột phá trong bộ nhớ đa trạng thái, bộ lọc vi sóng và các linh kiện điện tử tiêu thụ ít năng lượng. Nghiên cứu sâu hơn về YFe1-xCoxO3 có thể đóng góp vào việc phát triển các vật liệu đa sắt hiệu quả hơn cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu về vật liệu nano và công nghệ nano 1.1 Vat liệu nano Vật liệu nano là các tô chức, câu trúc. thiết bi, hệ thông. có kích thước nano (khoảng từ 1 đến vải tram nanomet, tức cỡ nguyên tử, phân tử hay đại phân tử - macromolecule). Do kích thước của chúng có thể so sánh với kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu, các quy luật của vật lý cô điển không còn ảnh hướng đến vật liệu ma chỉ còn có ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử.

Hơn nữa, khi vật liệu có kích thước nanomet, số nguyễn tử nằm trên bẻ mặt sẻ chiếm tỉ lệ đảng kẻ so với téng số nguyên tử. Chính vi vậy các hiệu ứng cỏ liên quan đến bề mặt, gọi tắt la hiệu ứng bẻ mat sẽ trở nên quan trọng. vật liệu có kích thước nano có những tỉnh chất hỏa học, nhiệt, điện, tử, quang, xúc tác. đặc biệt, khác hắn vật liệu có kích thước lớn.

Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực {6]. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, câu trúc của vật liệu và kích thước của chúng. Vật liệu nano có thể có kích thước nano theo một chiều (mảng nano.), hai chiều (sợi nano, dng nano.) hay ba chiều (hạt nano, đám nano. Hat nano là loại vật liệu nano không chiều (OD) với cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử.

Các hạt nano đã được biết đến va sử dụng từ nhiều thế ký, ví dụ làm chất màu cho thủy tỉnh và men [6]. Ngày nay, vật liệu nano perovskite đang được quan tâm nghiên cứu do thẻ hiện nhiều tỉnh năng ưu việt vẻ các tính chất điện.2 Công nghệ nano Nano là tiếng gọi tắt của nanomet (ký hiệu nm, | nm = 10° m hay là 0.000000001 m) là một đơn vị đo lường & thứ nguyên nguyên tử hay phân tử. Nanomet là điểm kỷ diệu trong kích thước chiều dai, là điểm mà tại đó những vật sáng chế nhỏ nhất do con người tạo ra ở cấp độ nguyên tứ và phân tử của thẻ giới tự nhiên |3]. Công nghệ nano liên quan đến việc lợi dụng những hiện tượng ở đơn vị nanomet đề thiết ké vật liệu và vật chat với những chức năng đặc biệt ngay tử thang nguyên tử hoặc phân tử.

GVHD: Nguyễn Anh Tiên SVTH: Châu Hằng [Diễm Năm 1959, Tiến si Richard Feynman (1918-1988, giải Nobel Vật lý 1965) đã có một du đoán tai tinh ve công nghệ nano trong một bai điển văn tai Hội nghị hằng năm của Hội Vật lý Hoa kỳ. dé xuất ý kiến hãy học tập các hệ sinh học để chế tạo các thiết bị có kích thước thu nhỏ đến nguyên tử, phân tử. Đến năm 1974, thuật ngữ “nanotechnology” được Norio Taniguchi sử dung lần dau tiên, và đến năm 1981, Kinh hiển vi quét đầu dé được phat minh cho phép thấy được từng phân tứ. bắt đầu cho ngành công nghệ nano hiện đại {6}.

Công nghệ nano có img dụng rat lớn trong cuộc sống vả la một công nghệ triển vọng ngay tại thời điểm hiện tại Lin tương lai. Nhiều nha nghiên cứu dự bảo ring, công nghệ nano sẽ đem lại một cuộc cách mạng mới, ma tiém năng ứng dung của no hiện nay mới chi đang được thao luận ở mức độ sơ khai. Hiện nay, công nghệ nano đã đạt được nhiều thành công trong việc chủ động biến đổi các tính chất điện. từ va quang học của vật chat, thông qua phương pháp làm biển đổi cau trúc nguyên tử chất rắn.

Công nghệ nano hứa hẹn sẽ thay đối cuộc sống của con người, đem lại những đóng góp to lớn cho đới sống kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng.2 Khái quát về vật liệu perovskite ABO Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu gốm có cau trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm calci titanate (CaTiOs). Tên gọi của perovskite được đặt theo tên của nhà khoáng vật học người Nga L. Perovski (1792-1856), người có công nghiên cứu và phát hiện ra vật liệu này ở vùng núi Uran của Nga vào năm 1839. Công thức phan tử chung của các hợp chất perovskite là ABOs với A và B là các ion (cation) có bán kính khác nhau.

Ở vị trí của ion oxy, có thé là một số nguyén tổ khác, nhưng phỏ biến nhất vẫn là oxy. Tùy theo nguyên tế 6 vị trí B ma có thé phân thành nhiều họ khác nhau. ví dụ như họ manganite khi B = Mn, họ titanate khi B = Ti hay ho cobaltite khi B = Co.1 Vật liệu perovskite thuan Hợp chat perovskite ABO) thuận có cầu trúc tinh thé với 6 mạng cơ sở là hình lap phương tâm khỏi với các thông s6 mạng a = b = c và œ = [3 = y = 909. Thông thường, bán kính cation A nằm tại tâm các mặt hình lập phương lớn hơn so với cation B tại tâm hình lập phương.

Cầu trúc của perovskite thường là biển thé GVHD. Nguyễn Anh Tiến SVTH. Châu Hồng Diễm từ cu trúc lập phương với các cation A nắm ở đính của hinh lập phương, có tâm là cation B. Cation này cũng la tam của một bát diện tao ra bởi các anion O O Vitrication aa") © Vitrication B“(B") © Vị tri cation O” Hinh !.1 Cau trúc ABO; thuần 1.2 Vat liệu perovskite pha tap Vật liệu ABO; pha tạp là vật liêu có ion A hoặc B được thay thé một phan bởi các ion khác, có thê viet dưới dạng công thức (A1.

A có thể là các nguyên tế đất hiểm như La, Nd, Y., A’ là kim loại kiểm thé như Sr, Ba, Ca. hoặc các nguyễn tế Ti, Ag, Pb.; B cỏ thé là Mn, Fe., B' là Ni, Co. Dé đặc trưng cho mức độ méo mạng tinh thé A BO (điều kiện bén ving cấu trúc perovskite), V Gold Schmitdt (1958) đã đưa ra định nghĩa vẻ thừa số Gold Schmitdt t= La.45,+) (trong đó rạ, r, f> lan lượt lả bán kính của các ion ở vi tri A, B, O) Cau trúc perovskite được coi là ôn định khi 0.Os với ion Y** (r, = 0.094 nm) và Fe** (m = 0. có thé dự đoán vật liệu này sé có dạng tỉnh thé trực thoi.

Các perovskite ABO) khi được pha tạp thay thé sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hỏa trị vả sai lệch cau trúc làm cho hợp chat nên trở thánh vật liệu có nhiều ứng dụng như: hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng tử trở không 16, hiệu ứng tử nhiệt. vật liệu perovskite ho ferrite được quan tim không chỉ vi chúng đồng thời thé hiện các tinh chất sắt tử và sắt điện ma cũng con do chúng có “hiệu ứng điện từ”, phân cực từ va phân cực điện được tạo ra có thể được điều khiển bởi cả từ trường và điện trường ngoài. Những nghiên cứu gan đây cho thay sự thay thé vị trí ion Fe** bằng ion cua nguyên tổ khác có thé thu được những cúc chat với nhiều tính chất hóa học va vật lý mới. Kết quả nghiên cửu trong luận án Neghién cứu chế tạo và các tính chất của cảm bién nhạy hơi con trên cơ sở vật liệu oxit perovskit (Đỗ Thị Anh Thư) cho thay sự pha tạp từng phin Co trong hệ LaFe;.0) không chỉ tao ra trạng thái hỗn hợp hóa trị ở vị trí B, mà còn làm thay đỏi tinh dẫn điện va hiệu ứng xúc tác của hệ.

với cảm biến làm từ LaCoo «Feo 6O3 cho độ nhạy cực đại S = 52 ở nhiệt độ 228°C, khác với vật liệu thuần LaFeO› cho S = 27.3 Công nghệ chế tạo nano perovskite Phương pháp hóa học thông thường và dễ nhất để điều chế perovskite là tổng hợp gôm. Các nguyên liệu ban đâu được nghiền trộn trong thời gian dai dé tạo hỗn hợp đồng nhất. Hồn hợp này sau đó được ép viên vả thiêu kết ở nhiệt độ cao đẻ tạo phản úng perovskite hóa. Phản ứng xảy ra khi nung mẫu ở khoảng 2/3 nhiệt độ nóng chảy.

Ở nhiệt độ nay, các chất phản ứng vẫn ở pha rắn nên phan ứng xảy ra chậm. Dé tăng độ đồng nhất trong vật liệu và pha tinh chế tạo thành có cau trúc tinh thé như mong muốn. khâu công nghệ nghiên, tron, ép viên va nung thường được lặp lại vải lin và kéo dai thời gian nung mẫu |3]. Phương pháp phản ứng pha rắn có ưu điểm là đơn giản về mặt hóa học nhưng lại có nhiều hạn chế như sản phẩm thu được có độ dong nhất va tinh khiết hóa học không cao.

kích thước hạt lớn. sự phân bố kích thước hạt rộng. bẻ mặt riêng nhỏ. khó thực hiện khi trong hệ phan ứng có chất dé bay hơi.

Vi vậy, ngày nay, để tổng hợp vật liệu gốm có kích thước nano, người ta thường hay sử dung một số phương pháp hóa học khác như sol-gel hay đồng kết tủa. 10 GVHD: Nguyễn Anh Tiền SVTH: Châu Hồng Diễm 1.1 Phương pháp sol-gel Các phương pháp sol-gel thường được sử dụng là: sol-gel thủy phân muỗi. sol- gel thủy phan alkoxide và sol-gel tạo phức. Dé tổng hợp vật liệu theo phương pháp nay, trước hét cần chẻ tạo sol trong một chất lỏng thích hợp bảng một trong hai cách sau: * Phan tán chất rin không tan tử cắp hạt lớn chuyển sang cắp hạt của sol trong các máy xay kco.

+ Dùng dung môi đề thuỷ phân một precusor tạo thành dung dich keo. Ví dụ ding nước dé thuy phân alkoxide kim loại dé tạo thành hệ keo oxide của kim loại đó. [3] Trong quá trình sol-gel, giai đoạn dau tiên là sự thuỷ phan va đông ty tiền chất đẻ hình thành sol, dang đồng nhất của các hạt oxide siêu nhỏ trong chất lỏng. Chat đầu dé tổng hợp sol này là các hợp chat hoạt động của kim loại như các alkoxide của silic, nhôm, titan.

Giai đoạn này có thé điều khiển bằng sự thay đối pH, nhiệt độ va thời gian phan ứng xúc tac, nông độ tác nhân, tý lệ nước. Các hat sol cỏ thé lớn lên và đông tụ đẻ hình thành mạng polime liên tục hay gel chứa các bẫy dung môi. Phương pháp làm khô sẽ xác định các tính chat của sản phẩm cuôi cùng: gel có thé được nung nóng để loại trừ các phân tử dung môi, gây áp lực lên mao quản va làm sụp dé mạng gel, hoặc làm khô siêu tới hạn. cho phép loại bỏ các phan tử dung môi ma không sụp đỏ mang gel.

Sản phẩm cuối cùng thu được tử phương pháp lam khô siêu tới hạn gọi là acrogel, theo phương pháp nung gọi là xerogel. Bên cạnh gel còn có thé thu được nhiều sản phẩm khác. Một số nano oxide kim loại thu được bing phương pháp sol-gel được đưa ra trong bảng sau: Bang 1.