Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên tính chất từ và quang học của vật liệu nano BiFe1-xMnXO3

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên tính chất từ và quang học của vật liệu nano Bife1 xMnXO3, mang lại hiểu biết sâu sắc về ứng dụng.

• Tác giả: Nguyễn Văn Chương
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Mai An
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên tính chất từ và quang học của vật liệu nano BiFe1-xMnXO3
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BiFeO3
• 1.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BiFeO3
• 1.2. Tính chất từ của vật liệu BiFeO3
• 1.3. Đặc tính hấp thụ và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu BiFeO3
• 1.4. Ảnh hưởng của sự pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp 3d lên đặc trưng cấu trúc, tính chất từ và quang học của vật liệu BiFeO3
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Chế tạo hạt nano BiFe1-xMnxO3 (x = 0,00; 0,05; 0,075) bằng phương pháp sol-gel. Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu tính chất của vật liệu
• 2.2. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD). Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung VSM. Phép đo phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.3. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X của các mẫu nghiên cứu
• 3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3. Đường cong từ trễ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3
• 3.4. Phổ hấp thụ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3
• 3.5. Kết luận chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn

Nghiên cứu về vật liệu nano BiFe1-xMnXO3 đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu học. Vật liệu này không chỉ có tính chất từ mà còn có tính chất quang học đặc biệt. Việc pha tạp Mn vào BiFeO3 có thể cải thiện đáng kể các tính chất này. Nghiên cứu này nhằm làm rõ cơ chế ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên các tính chất từ và quang học của vật liệu nano BiFe1-xMnXO3.

1.1. Giới thiệu về vật liệu nano BiFe1 xMnXO3

Vật liệu nano BiFe1-xMnXO3 là một trong những vật liệu multiferroic quan trọng. Nó có khả năng kết hợp giữa tính chất từ và quang học, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tính chất từ và quang học

Nghiên cứu tính chất từ và quang học của BiFe1-xMnXO3 không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện và cảm biến.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu nano

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano BiFe1-xMnXO3 vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự hình thành pha thứ cấp và độ ổn định của cấu trúc là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Thách thức trong việc kiểm soát tỷ lệ tạp Mn

Việc kiểm soát tỷ lệ tạp Mn trong BiFe1-xMnXO3 là một thách thức lớn. Tỷ lệ tạp không phù hợp có thể dẫn đến sự hình thành các pha thứ cấp, ảnh hưởng đến tính chất từ và quang học của vật liệu.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến tính chất vật liệu

Điều kiện chế tạo như nhiệt độ, thời gian và phương pháp có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của BiFe1-xMnXO3. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình chế tạo.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp sol-gel để chế tạo mẫu bột nano BiFe1-xMnXO3. Các phương pháp thực nghiệm như nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) được áp dụng để khảo sát tính chất của vật liệu.

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu bột nano

Mẫu bột nano BiFe1-xMnXO3 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel, sử dụng nền acid citric và acid nitric. Phương pháp này giúp kiểm soát tốt kích thước và hình thái của hạt nano.

3.2. Các phương pháp thực nghiệm khảo sát tính chất

Các phương pháp như XRD và VSM được sử dụng để khảo sát cấu trúc và tính chất từ của mẫu. Kết quả từ các phương pháp này sẽ cung cấp thông tin quan trọng về ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn.

IV. Kết quả nghiên cứu và thảo luận về tính chất từ

Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ tạp Mn có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất từ của BiFe1-xMnXO3. Mẫu có tỷ lệ tạp 5% thể hiện tính sắt điện mạnh nhất, trong khi các mẫu khác có sự khác biệt về cấu trúc và tính chất từ.

4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên tính chất từ

Nghiên cứu cho thấy rằng khi tỷ lệ tạp Mn tăng lên, tính chất từ của vật liệu cũng thay đổi. Mẫu có tỷ lệ tạp 5% cho thấy từ độ bão hòa lớn nhất, điều này cho thấy sự cải thiện đáng kể về tính chất từ.

4.2. Phân tích cấu trúc và tính chất từ qua XRD

Phân tích XRD cho thấy sự chuyển đổi cấu trúc từ mặt thoi sang cấu trúc đơn tà khi tỷ lệ tạp Mn đạt 5%. Điều này cho thấy sự ảnh hưởng mạnh mẽ của tạp chất lên cấu trúc mạng tinh thể.

V. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano BiFe1 xMnXO3

Vật liệu nano BiFe1-xMnXO3 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như quang xúc tác, cảm biến và lưu trữ thông tin. Tính chất quang học của vật liệu này mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ hiện đại.

5.1. Ứng dụng trong quang xúc tác

Với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, BiFe1-xMnXO3 có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang xúc tác, giúp xử lý nước thải và sản xuất năng lượng sạch.

5.2. Tiềm năng trong công nghệ cảm biến

Tính chất từ và quang học của BiFe1-xMnXO3 có thể được khai thác trong các thiết bị cảm biến, giúp phát hiện các chất độc hại trong môi trường.

VI. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn lên tính chất từ và quang học của BiFe1-xMnXO3 đã chỉ ra nhiều kết quả khả quan. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả cho thấy tỷ lệ tạp Mn có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất từ của BiFe1-xMnXO3. Mẫu tạp 5% cho thấy tính chất tốt nhất, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu.

6.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế ảnh hưởng của các tạp chất khác và tối ưu hóa quy trình chế tạo nhằm nâng cao tính chất của vật liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hai thập kỷ đầu thế kỷ 21, vật liệu bismuth ferrite (BiFeO3 - BFO) đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật liệu đa ferroic nhờ tính chất sắt điện (TC ~ 1103 K) và phản sắt từ (TN ~ 643 K) ở nhiệt độ phòng. BFO còn thể hiện tính sắt từ yếu ở nhiệt độ thấp dưới 30 K, mở ra tiềm năng ứng dụng trong cảm biến, thiết bị lưu trữ, công nghệ siêu cao tần, y sinh và xử lý môi trường. Đặc biệt, với độ rộng vùng cấm hẹp khoảng 2,0 - 2,3 eV, các hạt nano BFO có khả năng quang xúc tác hiệu quả trong vùng ánh sáng nhìn thấy, vượt trội so với TiO2 truyền thống.

Tuy nhiên, BFO tồn tại một số hạn chế như pha thứ cấp và tính chất từ chưa tối ưu. Do đó, nghiên cứu pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp nhóm 3d như Mn nhằm cải thiện cấu trúc tinh thể, tính chất từ và quang học của BFO là hướng đi quan trọng. Mục tiêu của luận văn là chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tạp Mn (x = 0%, 5%, 7,5%) lên tính chất từ và quang học của vật liệu nano BiFe1-xMnxO3, trong phạm vi nghiên cứu tại Việt Nam năm 2018. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế ảnh hưởng của ion tạp lên cấu trúc và tính chất vật liệu, đồng thời mở rộng ứng dụng trong quang xúc tác và thiết bị điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc perovskite của BiFeO3: BFO có cấu trúc perovskite dạng mặt thoi lệch, nhóm không gian R3c hoặc R3m, với các ion Bi3+ ở đỉnh ô mạng, Fe3+ ở tâm khối lập phương và O2- ở trung tâm mặt. Sự dịch chuyển ion Fe3+ theo phương <111> gây méo mạng tinh thể và ảnh hưởng đến tính chất từ.

• Tính chất từ của BFO: Ở nhiệt độ phòng, BFO thể hiện trật tự phản sắt từ kiểu G, với sự chuyển pha từ phản sắt từ sang sắt từ yếu dưới 30 K. Pha tạp Mn có thể triệt tiêu spin xoắn, làm tăng tính sắt từ.

• Tính chất quang học và quang xúc tác: BFO có độ rộng vùng cấm hẹp (khoảng 2,0 - 2,3 eV), cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, tạo hoạt tính quang xúc tác cao hơn TiO2. Quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O, giảm ô nhiễm môi trường.

• Ảnh hưởng pha tạp Mn: Pha tạp Mn thay thế Fe3+ làm biến dạng cấu trúc tinh thể, giảm pha thứ cấp, tăng tính sắt từ và giảm độ rộng vùng cấm, mở rộng phổ hấp thụ về bước sóng dài hơn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu bột nano BiFe1-xMnxO3 với x = 0, 0.05, 0.075 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng axit citric và axit nitric làm chất nền.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn tỷ lệ tạp Mn dựa trên các nghiên cứu trước nhằm khảo sát ảnh hưởng của pha tạp lên tính chất vật liệu.

• Phương pháp phân tích:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể, pha đơn hay pha thứ cấp, hằng số mạng và kích thước tinh thể bằng công thức Scherrer.

  • Hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái hạt, kích thước và sự kết đám của các hạt nano.

  • Từ kế mẫu rung (VSM): Đo đường cong từ trễ, xác định từ độ bão hòa (Ms), từ dư (Mr) và lực kháng từ (Hc) ở nhiệt độ phòng.

  • Phổ hấp thụ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ để xác định vùng hấp thụ và độ rộng vùng cấm (Eg) bằng phương pháp Tauc.

• Timeline nghiên cứu: Chế tạo mẫu, thực hiện các phép đo và phân tích dữ liệu trong năm 2018 tại các viện nghiên cứu và trường đại học trong nước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và pha vật liệu: Các mẫu BiFe1-xMnxO3 chế tạo bằng sol-gel có độ đơn pha cao. Mẫu không pha tạp tồn tại pha thứ cấp Bi25FeO40 với tỷ lệ rất thấp, trong khi các mẫu tạp Mn 5% và 7,5% gần như không có pha thứ cấp. Cấu trúc tinh thể chuyển từ nhóm không gian R3c (x=0, 0.05) sang R3m (x=0.075). Kích thước tinh thể tăng từ 23,2 nm (x=0) lên 39,1 nm (x=0.075).

2. Hình thái học hạt: SEM cho thấy hạt nano không đồng nhất về kích thước và hình dạng. Mẫu không pha tạp có hạt đồng nhất hơn, kích thước từ vài chục đến 500 nm. Mẫu tạp 5% Mn có hạt nhỏ hơn (vài chục đến 200 nm) và kết đám mạnh hơn. Mẫu tạp 7,5% Mn xuất hiện hạt lớn hơn, lên đến 700-800 nm.

3. Tính chất từ: Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng cho thấy tính sắt từ tăng rõ rệt khi pha tạp Mn. Mẫu không pha tạp có Ms ≈ 0,109 emu/g và Hc ≈ 63,7 Oe. Mẫu tạp 5% Mn có Ms = 0,87 emu/g và Hc ≈ 100 Oe, mẫu tạp 7,5% Mn có Ms = 0,79 emu/g và Hc ≈ 100 Oe. Sự tăng tính sắt từ được giải thích do triệt tiêu spin xoắn và hình thành cấu trúc spin đồng nhất hơn.

4. Tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy dải hấp thụ mạnh của mẫu không pha tạp kéo dài từ 210 nm đến 515 nm với tâm bờ hấp thụ tại 548 nm, độ rộng vùng cấm Eg = 2,11 eV. Mẫu tạp 5% Mn có dải hấp thụ mở rộng đến 520 nm, tâm bờ hấp thụ 561 nm, Eg giảm còn 1,97 eV. Mẫu tạp 7,5% Mn có dải hấp thụ tương tự, Eg = 1,94 eV. Pha tạp Mn làm dịch chuyển bờ hấp thụ về bước sóng dài hơn và giảm độ rộng vùng cấm, tăng hiệu quả quang xúc tác.

Thảo luận kết quả

Sự thay đổi cấu trúc tinh thể từ R3c sang R3m khi tăng tỷ lệ tạp Mn phản ánh sự biến dạng mạng tinh thể do ion Mn có bán kính nhỏ hơn Fe3+. Điều này làm giảm sự hình thành pha thứ cấp, nâng cao độ tinh khiết mẫu. Kích thước hạt tăng ở tỷ lệ tạp cao có thể do sự kết đám hạt lớn hơn, ảnh hưởng đến tính chất từ và quang học.

Tính sắt từ tăng mạnh khi pha tạp Mn do triệt tiêu spin xoắn đặc trưng của BFO nguyên bản, tạo ra cấu trúc spin đồng nhất hơn, phù hợp với các nghiên cứu trước. Tuy nhiên, sự không đồng nhất về giá trị Ms giữa các nghiên cứu có thể do khác biệt về kích thước hạt, độ đồng đều và pha thứ cấp còn tồn tại.

Giảm độ rộng vùng cấm và dịch chuyển bờ hấp thụ về bước sóng dài hơn khi pha tạp Mn mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, tăng hiệu quả quang xúc tác. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, tuy nhiên giá trị Eg có sự khác biệt nhỏ do điều kiện chế tạo và phương pháp đo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiễu xạ tia X thể hiện sự thay đổi vị trí đỉnh, ảnh SEM minh họa hình thái hạt, đồ thị đường cong từ trễ so sánh Ms và Hc, cùng phổ hấp thụ UV-Vis thể hiện sự dịch chuyển bờ hấp thụ và tính toán Eg.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỷ lệ pha tạp Mn: Tiến hành nghiên cứu thêm các mẫu với tỷ lệ Mn từ 4% đến 7% để xác định tỷ lệ tạp tối ưu cho tính chất từ và quang học tốt nhất, nhằm nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu nano thực hiện.

2. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác thực nghiệm: Thử nghiệm phân hủy các chất màu hữu cơ trong nước thải công nghiệp bằng bột nano BiFe1-xMnxO3 chế tạo, đánh giá hiệu suất và thời gian phân hủy. Thời gian 12 tháng, phối hợp với các phòng thí nghiệm môi trường.

3. Kiểm soát kích thước hạt và đồng đều hạt: Áp dụng các kỹ thuật chế tạo và xử lý sau để giảm sự kết đám hạt, nâng cao độ đồng đều kích thước, từ đó cải thiện tính chất từ và quang học. Thời gian 6 tháng, do nhóm công nghệ vật liệu thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu pha tạp các ion khác: Khảo sát ảnh hưởng của các ion kim loại chuyển tiếp khác như Co, Cr, Sc lên tính chất vật liệu để so sánh và lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Thời gian 1-2 năm, phối hợp đa ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Tài liệu cung cấp quy trình chế tạo sol-gel và phân tích chi tiết tính chất cấu trúc, từ và quang học của vật liệu nano BiFe1-xMnxO3, hỗ trợ phát triển vật liệu đa ferroic.

2. Kỹ sư công nghệ vật liệu: Tham khảo phương pháp chế tạo và kiểm soát pha tạp nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu cho ứng dụng trong cảm biến, thiết bị lưu trữ và quang xúc tác.

3. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Nghiên cứu về hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano BFO pha tạp Mn giúp phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý, Hóa học vật liệu: Tài liệu là nguồn tham khảo học thuật quý giá về cấu trúc tinh thể, tính chất từ và quang học, cũng như phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn pha tạp Mn vào BiFeO3?
   Pha tạp Mn giúp triệt tiêu spin xoắn trong BFO, làm tăng tính sắt từ và giảm độ rộng vùng cấm, mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng, từ đó cải thiện hiệu quả quang xúc tác và tính chất điện từ.

2. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong chế tạo vật liệu nano?
   Sol-gel cho phép phân tán ion đồng đều ở cấp độ nguyên tử, kiểm soát kích thước hạt tốt, tạo mẫu đồng nhất và đơn giản, phù hợp cho pha tạp ion kim loại chuyển tiếp.

3. Làm thế nào xác định độ rộng vùng cấm từ phổ hấp thụ UV-Vis?
   Sử dụng phương pháp Tauc, biểu diễn (αE)^2 theo năng lượng photon E, độ rộng vùng cấm Eg được xác định tại điểm giao cắt của đường thẳng ngoại suy với trục năng lượng.

4. Tại sao kích thước hạt lại ảnh hưởng đến tính chất từ?
   Kích thước hạt nhỏ làm tăng diện tích bề mặt, ảnh hưởng đến sự cân bằng từ hóa giữa các mạng con, giảm spin xoắn, từ đó tăng tính sắt từ và thay đổi các đặc trưng từ.

5. Ứng dụng thực tế của vật liệu BiFe1-xMnxO3 là gì?
   Vật liệu này có thể dùng trong thiết bị lưu trữ thông tin, cảm biến, thiết bị điện tử spintronics, và đặc biệt là trong xử lý nước thải công nghiệp nhờ khả năng quang xúc tác phân hủy các chất hữu cơ độc hại.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công mẫu bột nano BiFe1-xMnxO3 với tỷ lệ tạp Mn 0%, 5%, 7,5% bằng phương pháp sol-gel, đạt độ đơn pha cao và kiểm soát kích thước hạt từ 23,2 đến 39,1 nm.
• Pha tạp Mn làm biến đổi cấu trúc tinh thể, giảm pha thứ cấp, tăng tính sắt từ rõ rệt với Ms đạt 0,87 emu/g ở mẫu 5% Mn.
• Độ rộng vùng cấm giảm từ 2,11 eV (không tạp) xuống còn 1,94 eV (7,5% Mn), mở rộng phổ hấp thụ về bước sóng dài hơn, tăng hiệu quả quang xúc tác.
• Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế ảnh hưởng của ion tạp lên tính chất vật liệu, mở rộng ứng dụng trong quang xúc tác và thiết bị điện tử.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu tỷ lệ tạp Mn, khảo sát hoạt tính quang xúc tác thực nghiệm và mở rộng pha tạp các ion khác để phát triển vật liệu đa chức năng.

Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng vật liệu nano BiFe1-xMnxO3 trong công nghệ xử lý môi trường và thiết bị điện tử đa ferroic. Liên hệ để trao đổi hợp tác nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, các nghiên cứu đã tiến hành trên hệ vật liệu này hầu hết chưa thực sự làm sáng tỏ được những thay đổi trong cấu trúc tinh thể cũng như của tính sắt điện, sắt từ của vật liệu pha tạp. Nhiều kết quả nghiên cứu cũng chưa thống nhất. Trong nghiên cứu [16] của Manoj Kumar cùng các cộng thực hiện trên hệ vật liệu BiFe1-xMnxO3 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng acid citric cho kết quả là với x = 0,15 cấu trúc tinh thể chuyển từ dạng mặt thoi (rhombohedral) với nhóm không gian R3c sang trực giao (orthorhombic) với nhóm không gian Pnma (hình 1.6) và xuất hiện BFO đơn pha với tỉ lệ x = 0,10 và x = 0,15 (hình 1. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Sự chuyển cấu trúc tinh thể của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 (BM-5; BM-10; BM-15) [16]. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 (BM-5; BM-10; BM-15) [16]. Trong khi đó, cũng với hệ vật liệu BiFe1-xMnxO3 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [5], Azia Wahida Aziz và Noor Haida Mohd Kaus lại nhận thấy không có sự chuyển cấu trúc tinh thể mà vật liệu vẫn có cấu trúc mặt thoi (rhombohedral) và xuất hiện các pha thứ cấp BiFe2Mn2O10, Bi2O3 với x = 0,10 và x = 0,15 (hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia x của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 (x = 0,10; x = 0,15; x = 0,20) [5].

Khi khảo sát đường cong từ trễ của hệ vật liệu BiFe1-xMnxO3(x = 0,00; 0,05; 0,1; 0,15) ở nhiệt độ phòng, Manoj Kumar cùng các cộng sự [16] đã nhận thấy từ độ bão hòa của hệ tăng khi pha tạp và có giá trị lớn nhất với tỉ lệ pha tạp x = 0,15. Đối với mẫu x = 0,05, từ độ bão hòa đạt được tại H ~ 5 kOe và có giá trị 0,046 emu/g (Hình 1. Trong nghiên cứu [11], kết quả khảo sát đường cong từ trễ của hệ vật liệu BiFe1-xMnxO3 ở nhiệt độ phòng cho thấy cấu trúc từ của mẫu thay đổi từ trật tự phản sắt từ (mẫu x = 0) sang trật tự sắt từ (mẫu x = 0,025) (hình 1. Tại H =8 kOe, từ độ của mẫu x = 0,05 có giá trị 0,02 emu/g và chưa đạt tới giá trị từ độ bão hòa (hình 1.

Kết quả trong nghiên cứu [21] cũng xác nhận sự thay đổi của đường cong từ trễ khi thay đổi tỉ lệ Mn trong các mẫu hạt BiFe1-xMnxO3 nhưng giá 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trị từ độ ứng với từ trường khác nhau cũng không giống với các nghiên cứu [11], [16]. Tính chất từ được cải thiện trong các mẫu BiFe1-xMnxO3 có thể là do tạp Mn giúp triệt tiêu spin xoắn dẫn đến hình thành cấu trúc spin đồng nhất hơn. Điều này có thể xem như một hệ quả của việc giảm kích thước hạt hay chia nhỏ sự cân bằng giữa các từ hóa của các mạng con đối song song của Fe3+ do kim loại thay thế là các ion có hóa trị khác nhau. Đường cong từ trễ của hệ mẫu Hình 1.

Đường cong từ trễ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3(BM-5; BM-10; BM-15) BiFe1-xMnxO3 (x= 0,00; 0,025; 0,05; [16]. Trong nghiên cứu [4], tác giả Vũ Thị Tuyết đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ Mn lên cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột BiFe1-xMnxO3 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel sử dụng acid citric với các tỉ lệ Mn bằng 2%, 4%, 6%, 8%, 10%. Ảnh hưởng của sự thay thế một phần Fe bởi tạp Mn lên tính chất từ của hệ mẫu này được trình bày trên hình 1. Kết quả cho thấy các mẫu pha tạp có đặc tính sắt từ mạnh hơn so với mẫu không chứa tạp với các giá trị đặc trưng như từ độ bão hòa Ms, từ dư Mr và lực kháng từ HC đều tăng.

Trong các mẫu nghiên cứu thì mẫu BiFe0.06O3 thể hiện tính sắt từ mạnh nhất với từ độ bão hòa Ms = 6,23 emu/g, từ dư Mr = 2,50 emu/g, lực kháng từ HC = 228 Oe. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự phụ thuộc của từ độ M vào từ trường ngoài H của hệ mẫu BiFe1- xMnxO3(x = 0,00; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10)khảo sát ở nhiệt độ phòng [4] Một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi pha tạp Mn vào các mẫu BFO, thì đặc trưng quang hấp thụ của mẫu cũng thay đổi. Trong nghiên cứu [12] Han Y.

et al “Substitution-driven structural, optical and magnetic transformation of Mn, Zn doped BiFeO3”, Ceramics International 41 (2015) 2476–2483. [13], Hao-Min Xu và các cộng sự đã tiến hành khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis của màng mỏng BiFeO3 và BiFe0. Phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu được mô tả trên hình 1.12 cho thấy rằng bờ hấp thụ của mẫu BiFe0.05O3 lệch về phía bước sóng dài hơn so với bờ hấp thụ của mẫu BiFeO3. Tính toán của các tác giả xác định được độ rộng vùng cấm của mẫu BiFeO3 là 2,60 eV và của mẫu BiFe0.

Như vậy, khi pha tạp Mn với tỷ lệ 5% vào mẫu thì độ rộng vùng cấm của màng mỏng giảm đáng kể. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Giản đồ hấp thụ UV-Vis của màng mỏng BiFeO3 và BiFe0. et al “Substitution- driven structural, optical and magnetic transformation of Mn, Zn doped BiFeO3”, Ceramics International 41 (2015) 2476–2483.

Kết quả khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu được chỉ ra trên hình 1. Dựa trên phổ hấp thụ UV-Vis các tác giả thực hiện các tính toán và xác định được độ rộng vùng cấm của mẫu BFO không chứa tạp là 2,18 (±0,03) eV, của mẫu chứa 5% tạp Mn là 1,54 (±0,04) eV và của mẫu chứa 10% tạp Mn là 1,73 (±0,01) eV. Nghiên cứu này cho thấy khi pha tạp Mn vào mẫu với các tỷ lệ đã nêu thì độ rộng vùng cấm của các hạt nano cũng giảm. Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng khi pha tạp các nguyên tố của kim loại chuyển tiếp 3d vào mẫu BFO thì độ rộng vùng cấm của mẫu sẽ giảm, phổ hấp thụ của mẫu mở rộng về phía bước 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] sóng dài hơn so với của mẫu không pha tạp [2].

Tuy nhiên giá trị Eg của vật liệu (cùng một dạng) được đưa ra trong các nghiên cứu chưa có sự thống nhất cao. Giản đồ hấp thụ UV-Vis của các hạt nano BFO không chứa tạp và chứa tạp Mn, Zn [12] Như vậy, các kết quả nghiên cứu trên các vật BFO nói chung và hạt nano BFO nói riêng có pha tạp các kim loại chuyển tiếp còn chưa thống nhất. Do đó, hướng nghiên cứu về vật liệu BFO pha tạp vẫn đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam. 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Từ những nội dung đã trình bày chúng tôi rút ra các kết luận trong chương này như sau: 1.

BFO là vật liệu có cấu trúc perovskite, thường ở dạng mặt thoi lệch thuộc nhóm không gian R3C với hằng số mạng a = 5,579 Å và c = 13,869 Å. Vật liệu BiFeO3 tồn tại đồng thời tính chất sắt điện (TC ~ 1103 K), tính chất phản sắt từ (TN ~ 643 K). Độ rộng vùng cấm của các hạt nano BFO có giá trị trung bình khoảng 2,0 ÷ 2,3 eV. Nhờ có độ rộng vùng cấm tương đối hẹp nên các hạt nano BiFeO3 có khả năng tạo hoạt tính xúc tác cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Bởi vậy, loại vật liệu này được định hướng sử dụng thay thế vật liệu quang xúc tác phổ biến hiện nay là TiO2. Khi thay thế một phần Fe bởi các kim loại chuyển tiếp nhóm 3d sẽ làm thay đổi đặc trưng cấu trúc của mẫu, tăng tính sắt từ của vật liệu và giảm độ rộng vùng cấm. 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƯƠNG 2. Chế tạo hạt nano BiFe1-xMnxO3 (x = 0,00; 0,05; 0,075) bằng phương pháp sol-gel.

Có nhiều phương pháp để tổng hợp các hạt nano BFO. Các phương pháp phổ biến thường được sử dụng là phản ứng pha rắn, sol-gel, đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng. Trong đề tài này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp sol-gel để chế tạo các mẫu nghiên cứu.

Sol-gel là phương pháp tạo vật liệu gồm hai quá trình thủy phân và ngưng tụ các tiền chất trong dung môi phù hợp. Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả để chế tạo mẫu có kích thước hạt nhỏ và tương đối đồng đều. Ưu điểm của phương pháp này là các ion có mặt trong sol được phân li hoàn toàn trước khi tạo thành gel. Do đó, tinh thể sẽ được hình thành từ mức độ nguyên tử.

Điều này sẽ thuận lợi cho việc pha các ion tạp chất vào mạng chủ BiFeO3. Theo phương pháp này, các hóa chất tiền chất (thường là các muối, các phức chất phù hợp với vật liệu cần chế tạo) được thủy phân và ngưng tụ trong dung môi phù hợp tạo thành sol. Trong sol, các ion được phân li hoàn toàn nhờ các chất xúc tác thủy phân, sol tồn tại đến thời điểm mà các hạt keo kết tụ lại với nhau và cấu trúc của thành phần rắn lỏng trong dung dịch liên kết chặt chẽ hơn gọi là gel. Trong quá trình sol tạo thành gel, mạng không gian được hình thành đồng nghĩa với việc độ nhớt của môi trường tăng cho tới khi các nguyên tử gần như không chuyển động nữa.

Phương pháp sol-gel có thể được tiến hành theo các hướng khác nhau như phương pháp sol-gel theo cách thủy phân các alkoxide, phương pháp sol- gel theo cách thủy phân các muối, sol-gel theo cách tạo phức. Công nghệ sol- gel cũng rất đa dạng như: Công nghệ sol-gel sử dụng chất nền là axit citric, Công nghệ sol-gel sử dụng axit citric kết hợp với ethylene glycol, công nghệ 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] sol-gel sử dụng axit citric kết hợp với axit nitric, công nghệ sol- gel sử dụng axit nitric và các axit carboxylic, công nghệ sol-gel với poly ethylene glycol,… Trong đề tài luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp sol-gel theo hướng tạo phức với chất nền là axit citric kết hợp với axit nitric Dưới đây chúng tôi trình bày quy trình tổng hợpBiFeO3 bằng phương pháp sol-gel sử dụng axit nitric và axit citric. Hóa chất sử dụng: Bismuth nitrate [Bi(NO3)3. Các hóa chất được sử đụng đều có độ sạch từ 98,5% trở lên.

Quy trình tổng hợp BiFe1-xMnxO3: Hòa trộn (0,01– 0,01.5H 2 O] trong 50ml nước cất và được khuấy đều bằng máy khuấy từ. Sau 1 giờ, nhỏ15ml axit nitric [HNO3 ] vào dung dịch.Tiếp tục khuấy cho đến khi dung dịch trong suốt thì thêm chất tạo phức là axit citric vào một cách cẩn thận với tỉ lệ mol Fe(NO3)3.