Luận Văn Thạc Sĩ: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Từ Của Vật Liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 Tại ...

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và tính chất quang từ của vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 tại vùng biên pha cấu trúc, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

• Tác giả: Lê Thị Thu Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Đăng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang, Từ Của Vật Liệu Bi0.1Fe1-xCrxO3 Tại Vùng Biên Pha Cấu Trúc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu tính chất quang từ của vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 tại vùng biên pha. Vật liệu multiferroics, đặc biệt là BiFeO3, đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu vật liệu do khả năng đồng tồn tại nhiều tính chất như sắt từ và sắt điện. Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển vật liệu mới với tính chất quang từ tốt hơn, từ đó mở rộng ứng dụng trong các thiết bị điện tử và cảm biến. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hình thành các tính chất quang từ mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ chế tạo vật liệu mới.

1.1. Tầm quan trọng của vật liệu multiferroics

Vật liệu multiferroics có khả năng chuyển hóa giữa năng lượng điện và năng lượng từ, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như cảm biến điện từ, bộ nhớ và thiết bị phát siêu âm. Sự phát triển của vật liệu này đã được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng cao về các thiết bị điện tử đa chức năng. Nghiên cứu về vật liệu BiFeO3 đã chứng minh rằng việc pha tạp các nguyên tố như Sm và Cr có thể cải thiện đáng kể tính chất quang từ của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

II. Tổng quan về vật liệu BiFeO3

BiFeO3 là một trong những vật liệu multiferroics quan trọng nhất, với cấu trúc tinh thể phức tạp và nhiều tính chất vật lý độc đáo. Nghiên cứu cho thấy rằng BiFeO3 có thể tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc khác nhau, bao gồm lập phương và mặt thoi. Nhiệt độ Curie của BiFeO3 khoảng 1103 K, cho thấy khả năng sắt điện mạnh mẽ. Tuy nhiên, các khuyết tật trong quá trình chế tạo có thể làm giảm đáng kể độ phân cực điện của vật liệu. Việc thay thế ion tại vị trí Bi và Fe đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất điện và từ của BiFeO3.

2.1. Cấu trúc và tính chất của BiFeO3

Cấu trúc tinh thể của BiFeO3 có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý của nó. Sự thay đổi trong cấu trúc do sự thay thế ion có thể dẫn đến sự thay đổi trong tính chất điện và từ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế ion tại vị trí Bi bằng các nguyên tố đất hiếm như Sm có thể làm giảm dòng rò và cải thiện tính chất áp điện. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu multiferroics với tính chất quang từ tốt hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn để chế tạo mẫu vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3. Các kỹ thuật thực nghiệm như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ Raman và hiển vi điện tử quét (SEM) được áp dụng để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Phép đo từ độ bằng từ kế mẫu rung (VSM) cũng được sử dụng để đánh giá tính chất từ của mẫu. Các kết quả thu được từ các phương pháp này sẽ giúp phân tích sâu hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất quang từ của vật liệu.

3.1. Kỹ thuật chế tạo mẫu

Phương pháp phản ứng pha rắn được lựa chọn để chế tạo mẫu vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện chế tạo, từ đó tạo ra các mẫu có chất lượng cao. Quá trình chế tạo bao gồm việc trộn đều các nguyên liệu, nung ở nhiệt độ cao và làm nguội từ từ để đạt được cấu trúc mong muốn. Kết quả từ quá trình chế tạo sẽ được phân tích bằng các phương pháp thực nghiệm để đánh giá tính chất quang từ của vật liệu.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc thay thế ion Cr vào vị trí Fe trong cấu trúc BiFeO3 có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang từ của vật liệu. Các mẫu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 cho thấy sự cải thiện về độ phân cực điện và tính chất từ so với mẫu BiFeO3 nguyên bản. Phân tích phổ tán xạ Raman cho thấy sự thay đổi trong các mode dao động của ion, điều này chỉ ra rằng sự thay thế ion đã làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể. Kết quả từ phép đo từ độ cũng cho thấy sự gia tăng đáng kể trong tính chất từ của mẫu khi nồng độ Cr tăng lên.

4.1. Phân tích kết quả

Kết quả từ các phương pháp thực nghiệm cho thấy rằng việc thay thế ion Cr có thể cải thiện đáng kể tính chất quang từ của vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3. Sự thay đổi trong cấu trúc mạng tinh thể và các tính chất vật lý của mẫu đã được phân tích kỹ lưỡng. Các kết quả này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hình thành các tính chất quang từ mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu multiferroics với tính chất tốt hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ THỊ THU THẢO CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG, TỪ CỦA VẬT LIỆU Bi0.1Fe1-xCrxO3 TẠI VÙNG BIÊN PHA CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC THÁI NGUYÊN, 10/2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC LÊ THỊ THU THẢO CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG, TỪ CỦA VẬT LIỆU Bi0.1Fe1-xCrxO3 TẠI VÙNG BIÊN PHA CẤU TRÚC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 844.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. NGUYỄN VĂN ĐĂNG THÁI NGUYÊN, 10/2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS.TS Nguyễn Văn Đăng và sự hỗ trợ của TS Phạm Trường Thọ, CN Lô Thị Huế, các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2019 Học viên Lê Thị Thu Thảo Xác nhận Xác nhận của trưởng khoa chuyên môn của giảng viên hướng dẫn khoa học PGS. Nguyễn Văn Đăng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo - PGS.TS Nguyễn Văn Đăng - người đã nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý –Công nghệ trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và tạo điều kiện giúp đỡ. Và tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Trường Thọ, CN Lô Thị Huế đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn những người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2019. Học viên Lê Thị Thu Thảo iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Tổng quan về vật liệu multiferroics . Tổng quan về vật liệu BiFeO3 . Cấu trúc tinh thể của vật liệu BiFeO3 . Tổng quan tình hình nghiên cứu về vật liệu BiFeO3 . Ảnh hưởng của sự thay thế ion lên tính chất điện, từ và quang học của vật liệu BiFeO3 dạng gốm khối . Sự thay thế vị trí Bi . Sự thay thế vị trí Fe . Sự thay thế cả hai vị trí Bi và Fe . 17 Chương 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM . Phương pháp chế tạo mẫu . Các kỹ thuật thực nghiệm . Phương pháp nhiễu xạ tia X . Phương pháp đo phổ tán xạ Raman . Phương pháp đo phổ hấp thụ . Kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) . Phép đo từ độ bằng từ kế mẫu rung VSM. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Kết quả phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman . Kết quả nghiên cứu ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu . Kết quả nghiên cứu phổ hấp thụ ánh sáng của mẫu . Kết quả nghiên cứu tính chất từ . 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 44 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 1. Các chữ viết tắt AFM : phản sắt từ BSFCO : hệ vật liệu Bi0.1Fe1-xCrxO3 BFO : BiFeO3 C- Cubic : cấu trúc lập phương ĐNX : đỉnh nhiễu xạ FeRAMs : bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trên cơ sở vật liệu sắt điện FM : sắt từ R- Rhombohedral) : cấu trúc hình thoi O- Orthorhombic) : cấu trúc trực giao PM : thuận từ T- Tetragonal : cấu trúc tứ giác VNX : vạch nhiễu xạ XRD : nhiễu xạ tia X 2. Các ký hiệu  : góc nhiễu xạ 3d : kim loại chuyển tiếp A : vị trí của ion đất hiếm trong cấu trúc perovskite ABO3 B : vị trí của ion kim loại chuyển tiếp trong cấu trúc perovskite ABO3 dhkl : khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng E : điện trường f : tần số H : từ trường M : từ độ P : độ phân cực R : điện trở r : bán kính v T : nhiệt độ t : thời gian TC : nhiệt độ chuyển pha sắt điện - thuận điện U : hiệu điện thế ρ : điện trở suất 3. Một số thuật ngữ được dịch từ tiếng Anh sử dụng trong luận án multiferroics : vật liệu đa pha điện từ orbital : quỹ đạo vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm BiFeO3 khi thay thế ion tại vị trí Bi . Cấu trúc và tính chất của gốm BiFeO3 khi được thay thế một số ion ở vị trí Fe . Cấu trúc và tính chất của gốm BiFeO3 với khi thay thế một số ion ở các vị trí Bi và Fe . Khối lượng các hóa chất ban đầu được cân để chế tạo mẫu Bi0. Cấu trúc tinh thể và hằng số mạng của vật liệu Bi0.1Fe1-xCrxO3 ở các pha cấu trúc khác nhau (I4/m là nhóm đối xứng của vật liệu Bi14CrO24 cấu trúc tứ giác). 31 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1. Phác họa tính sắt điện và sắt từ đồng tồn tại, cạnh tranh và "kiểm soát" lẫn nhau trong vật liệu multiferroics . (a) Mối quan hệ giữa vật liệu multiferroics, magnetoelectric và các yêu cầu để đạt được cả hai thuộc tính trong một vật liệu. (b) Sơ đồ minh họa các loại tương tác và liên kết từ -điện-cơ trong vật liệu multiferroics. (a) Cấu trúc tinh thể lí tưởng của BiFeO3; (b) Trường hợp méo mạng, ion Bi chuyển dời dọc theo hướng (111) gây sự biến dạng của bát diện FeO6 và làm xuất hiện độ phân cực điện P dọc theo hướng (111); (c) Đường cong điện trễ P-E của đơn tinh thể BiFeO3 . Số liệu thống kê trên các tạp được công bố về tính chất của BFO trong giai đoạn 2000-2015 . Số lượng các công bố về vật liệu BiFeO3 dạng khối, dạng màng và cấu trúc nano trên các tạp chí được công bố trong giai đoạn 2000-2015. Các công bố về vật liệu gốm khối, màng mỏng và cấu trúc nano dựa trên vật liệu BiFeO3 trong giai đoạn 2000-2015 . Mối quan hệ giữa các pha cấu trúc và tính chất áp điện của vật liệu gốm BiFeO3 pha tạp Sm hoặc Eu . (a) Đường trễ áp điện của các mẫu Bi0. Các kết quả nghiên cứu thu được trên vật liệu Bi1-xBaxFeO3 (x= 0.25): (a) Đường cong từ trễ; (b) Sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi; (c) Sự thay đổi của hằng số điện môi trong từ trường đo tại 80, 120 và 300 K; (d) Đường trễ sắt điện đo tại nhiệt độ phòng. Sự phụ thuộc từ trường của hệ số từ điện αME theo phương song song (bên trái), theo phương vuông góc (bên phải) của vật liệu BiFeO3 (x = 0) và Bi0.3FeO3 đo ở tần số f = 7 kHz ở nhiệt độ phòng . Quy trình chế tạo mẫu Bi0.1) bằng phương pháp phản ứng pha rắn . Ảnh chụp hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800. a) Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung ; b) Ảnh chụp hệ đo từ kế mẫu rung Lakeshore 7404 . Giản đồ XRD của các mẫu Bi0. Hình nhỏ của hình 3.1 là đỉnh nhiễu xạ của các mẫu tại vị trí góc 2 khoảng 32o . Hằng số mạng a,b (a) và c (b) phụ thuộc nồng độ thay thế x với cấu trúc mặt thoi của mẫu Bi0. Thể tích ô mạng phụ thuộc nồng độ thay thế x với cấu trúc mặt thoi của mẫu Bi0. Phổ tán xạ Raman của các mẫu mẫu Bi0. Các hình nhỏ là phổ tán xạ Raman của hai mẫu đại diện với x =0. Tần số của mode dao động động đặc trưng cho góc liên kết Fe3+ - O - Fe3+ phụ thuộc vào nồng độ Cr thay thế cho Fe. Kết quả đo ảnh SEM một số mẫu đại diện của hệ mẫu Bi0. Phổ hấp thụ của vật liệu BiFeO3 . Phổ hấp thụ của hệ mẫu Bi0. Kết quả đo đường cong từ trễ của hệ mẫu . 42 1 MỞ ĐẦU Sự tích hợp đa trạng thái trật tự trên cùng một pha của vật liệu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu kích thước các thiết bị linh kiện điện tử đa chức năng. Nhờ khả năng chuyển hóa giữa năng lượng điện và năng lượng từ nên vật liệu multiferroics có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo cảm biến điện từ có độ nhạy cao, thiết bị cộng hưởng sắt từ điều khiển bởi điện trường, bộ chuyển đổi cực nhanh, bộ lọc, thiết bị phát siêu âm điều chỉnh điện từ, phần tử nhớ nhiều trạng thái, bộ lưu dữ liệu, DRAM, MRAMs, FeRAMs, linh kiện nhớ điện trở (RRAM). Bởi giá trị ứng dụng thực tiễn cao nên hằng năm có hàng trăm công bố khoa học liên quan đến tối ưu hóa công nghệ chế tạo vật liệu multiferroics, tìm kiếm vật liệu mới có hiệu ứng từ - điện mạnh, nghiên cứu cơ chế hình thành và mối liên hệ giữa trạng thái trật tự điện và trạng thái trật tự từ trong vật liệu multiferroics. Lịch sử của hướng nghiên cứu vật liệu multiferroics bắt đầu từ nửa thế kỷ XIX, tuy nhiên, cho đến tận đầu thế kỷ XXI, vật liệu multiferroics vẫn ít được quan tâm nghiên cứu. Lý do là có rất ít vật liệu multiferroics trong tự nhiên, các vật liệu multiferroics thường có giá trị hiệu ứng từ - điện yếu và nhiệt độ xảy ra hiệu ứng từ - điện thấp làm hạn chế ứng dụng thực tiễn [4]. Sự kiện [5] khám phá ra độ phân cực điện khổng lồ trong màng mỏng epoxy BiFeO3 năm 2003 làm hoạt động nghiên cứu trên đối tượng vật liệu này này trở nên sôi động và rộng khắp. Trong các vật liệu multiferroics có cấu trúc perovskite BiFeO3 hay BiMnO3, sự xuất hiện độ phân cực điện chủ yếu do sự dịch chuyển của các ion lệch khỏi vị trí trung hòa điện. Tuy nhiên, cơ chế hình thành pha sắt điện và nguyên nhân của các biến đổi trạng thái trật tự từ và các hiện tượng vật lý khác trong vật liệu multiferroics hiện vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. BiFeO3 là vật liệu có cấu trúc linh hoạt và thể hiện nhiều tính chất vật lý rất phức tạp như hiệu ứng từ điện, áp điện, quang điện, quang xúc tác. nên dành được sự quan tâm nghiên cứu đặc biệt ở tất cả các dạng cấu trúc như: 2 dạng khối, màng mỏng, dạng tổ hợp và cấu trúc nano. Đặc biệt, do có độ rộng vùng cấm nhỏ (< 2.7eV), độ bền hóa học cao nên vật liệu BiFeO3 cũng hứa hẹn nhiều ứng dụng về tính chất quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Bởi vì, các chất xúc tác quang học dựa trên TiO2 hiện mới chỉ đáp ứng tốt ở vùng tia cực tím (UV) do độ rộng vùng cấm lớn ~ 3.