I. Giới thiệu về Màng Sắt Điện Không Chứa Chì BNKT
Màng sắt điện không chứa chì BNKT (Bi0,5(Na0,8K0,2)0,5TiO3) đang trở thành một trong những vật liệu sắt điện tiềm năng nhất hiện nay. Với tính chất sắt điện và áp điện nổi bật, vật liệu này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cảm biến, linh kiện vi cơ điện tử (MEMS), và bộ nhớ FRAM. Việc phát triển màng BNKT không chỉ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của chì đối với môi trường mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng công nghệ cao. Theo nghiên cứu, màng BNKT có độ phân cực dư (Pr) và độ phân cực cực đại (Pm) cao, cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng tốt. Điều này làm cho màng BNKT trở thành một ứng cử viên sáng giá thay thế cho vật liệu truyền thống Pb(Zr,Ti)O3 (PZT).
1.1. Tính chất của Màng Sắt Điện BNKT
Màng BNKT có cấu trúc micro-nano, cho phép tối ưu hóa các tính chất điện của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi pha tạp Fe dưới dạng BiFeO3 (BNKT-xBFO), tính chất điện của màng BNKT được cải thiện rõ rệt. Nhiệt độ ủ kết tinh và thời gian ủ là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của màng. Kết quả cho thấy, nhiệt độ ủ tối ưu là 700°C, tại đó màng BNKT đạt được độ phân cực và mật độ năng lượng tích trữ cao nhất. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa quy trình chế tạo là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của màng sắt điện không chứa chì.
II. Phương pháp chế tạo Màng Sắt Điện BNKT
Phương pháp quay phủ sol-gel được sử dụng để chế tạo màng BNKT. Quy trình này bao gồm các bước tạo sol, gel và tinh thể hóa để hình thành màng. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian ủ là rất quan trọng để đảm bảo màng đạt được các tính chất mong muốn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thời gian ủ 60 phút là tối ưu nhất cho màng BNKT, giúp cải thiện đáng kể các tính chất điện. Các thiết bị như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) được sử dụng để khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng. Kết quả cho thấy màng BNKT có độ nhám bề mặt thấp và cấu trúc tinh thể đồng nhất, điều này góp phần nâng cao tính chất điện của vật liệu.
2.1. Quy trình chế tạo màng BNKT
Quy trình chế tạo màng BNKT bắt đầu bằng việc chuẩn bị dung dịch sol-gel, sau đó tiến hành quay phủ lên đế Pt/Ti/SiO2/Si. Sau khi phủ, màng được ủ ở nhiệt độ xác định để tinh thể hóa. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh nồng độ pha tạp Fe cũng ảnh hưởng đến tính chất của màng. Khi nồng độ pha tạp tăng lên, tính chất điện của màng BNKT-xBFO được cải thiện, cho thấy sự tương tác giữa các ion trong cấu trúc tinh thể. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển vật liệu sắt điện không chứa chì với tính chất tối ưu hơn.
III. Kết quả và Thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy màng BNKT có tính chất điện tốt, với độ phân cực dư và mật độ năng lượng tích trữ cao. Việc pha tạp Fe đã cải thiện đáng kể các tính chất này. Cụ thể, màng BNKT-xBFO với tỉ lệ pha tạp x = 0.10 cho thấy tính chất điện tốt nhất. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, sự thay đổi cấu trúc tinh thể do pha tạp Fe có thể tạo ra các vách domain mới, giúp nâng cao tính chất sắt điện của màng. Điều này chứng tỏ rằng, việc nghiên cứu và phát triển màng sắt điện không chứa chì BNKT là rất cần thiết và có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ hiện đại.
3.1. Ứng dụng trong công nghiệp
Màng sắt điện không chứa chì BNKT có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như cảm biến, linh kiện điện tử, và thiết bị lưu trữ năng lượng. Với tính chất điện tốt, màng BNKT có thể thay thế cho các vật liệu truyền thống chứa chì, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu sắt điện trong tương lai.
