Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng sắt điện không chứa chì

• Tác giả: Nguyễn Đăng Cơ
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Đình Tú
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Màng Sắt Điện Không Chì Với Cấu Trúc Micro Nano
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Vật liệu sắt điện và tính chất của vật liệu sắt điện
• 1.2. Vật liệu sắt điện
• 1.3. Hiện tượng phân cực sắt điện
• 1.4. Domain sắt điện. Quá trình phân cực sắt điện
• 1.5. Chu trình điện trễ
• 1.6. Vật liệu sắt điện không chì BNKT
• 1.7. Sự phát triển của vật liệu sắt điện không chì BNKT
• 1.8. Các phương pháp chế tạo vật liệu sắt điện không chì BNKT
• 1.9. Ảnh hưởng của pha tạp đến tính chất vật liệu sắt điện không chì BNKT
• 1.10. Ảnh hưởng của pha tạp kim loại đến tính chất của BNKT
• 1.11. Ảnh hưởng của pha A’B’O3 đến tính chất của BNKT
• 1.12. Kết luận chương 1
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo màng sắt điện bằng phương pháp quay phủ sol-gel
• 2.2. Quy trình chế tạo màng bằng phương pháp quay phủ sol-gel
• 2.3. Quy trình tạo Sol
• 2.4. Quy trình tạo gel và tinh thể hoá tạo màng
• 2.5. Quy trình chế tạo điện cực cho màng BNKT, BNKT-xBFO
• 2.6. Các phương pháp khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu
• 2.6.1. Khảo sát hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi lực nguyên tử AFM
• 2.6.2. Khảo sát hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM
• 2.6.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.6.4. Phương pháp đo đường cong điện trễ
• 2.6.5. Phương pháp đo đường cong từ hóa
• 2.7. Tổng kết chương 2
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ kết tinh lên các tính chất của màng BNKT
• 3.1.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt màng BNKT
• 3.1.2. Ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể màng BNKT
• 3.1.3. Ảnh hưởng đến tính chất sắt điện của màng BNKT
• 3.1.4. Ảnh hưởng đến mật độ tích trữ năng lượng của màng BNKT
• 3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ kết tinh lên các tính chất của màng BNKT
• 3.2.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt của màng BNKT
• 3.2.2. Ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của màng BNKT
• 3.2.3. Ảnh hưởng đến tính chất sắt điện của màng BNKT
• 3.2.4. Ảnh hưởng đến mật độ tích trữ năng lượng của màng BNKT
• 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Fe dưới dạng BFO (BNKT-xBFO) tới tính chất của màng sắt điện BNKT
• 3.3.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt màng
• 3.3.2. Ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể của màng
• 3.3.3. Ảnh hưởng tới tính chất từ của màng
• 3.4. Tổng kết chương 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về màng sắt điện không chì

Màng sắt điện không chì, đặc biệt là vật liệu Bi0,5(Na0,8K0,2)0,5TiO3 (BNKT), đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu do tính chất sắt điện và áp điện vượt trội. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực như cảm biến, linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) và bộ nhớ FRAM. Việc thay thế vật liệu truyền thống Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) chứa chì bằng các vật liệu không chì như BNKT không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn cải thiện tính năng của các thiết bị điện tử. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu chế tạo và khảo sát các tính chất của màng BNKT, từ đó tìm ra các điều kiện tối ưu cho quy trình chế tạo.

1.1. Tính chất của màng sắt điện

Màng sắt điện không chì BNKT có độ phân cực dư (Pr) và độ phân cực cực đại (Pm) cao, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng điện tử. Nghiên cứu cho thấy rằng, với nhiệt độ ủ kết tinh tối ưu là 700°C, màng BNKT đạt được mật độ năng lượng tích trữ (Jreco) lên tới 2.3 J/cm3 và hiệu suất năng lượng (η) cực đại là 58%. Những tính chất này cho thấy khả năng ứng dụng của màng BNKT trong các thiết bị điện tử hiện đại, đồng thời khẳng định giá trị của việc nghiên cứu và phát triển vật liệu này.

II. Phương pháp chế tạo màng sắt điện

Phương pháp quay phủ sol-gel được sử dụng để chế tạo màng BNKT. Quy trình này bao gồm việc tạo sol, gel và tinh thể hóa để tạo ra màng mỏng với cấu trúc micro-nano. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thời gian ủ kết tinh đến tính chất của màng. Kết quả cho thấy rằng, thời gian ủ kết tinh 60 phút là tối ưu nhất, giúp cải thiện đáng kể các tính chất điện của màng. Việc pha tạp Fe dưới dạng BiFeO3 (BNKT-xBFO) cũng được thực hiện nhằm nâng cao tính chất của màng sắt điện.

2.1. Quy trình chế tạo màng

Quy trình chế tạo màng BNKT bao gồm các bước chính như tạo sol từ các tiền chất, sau đó chuyển đổi sol thành gel và cuối cùng là tinh thể hóa để tạo ra màng. Các điều kiện như nhiệt độ và thời gian ủ kết tinh được điều chỉnh để tối ưu hóa tính chất của màng. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được màng sắt điện với các tính chất mong muốn, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu sắt điện không chì.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, màng BNKT có tính chất điện tốt nhất khi được chế tạo ở nhiệt độ ủ 700°C và thời gian ủ 60 phút. Việc pha tạp Fe đã cải thiện rõ rệt các tính chất của màng, đặc biệt là độ phân cực và mật độ năng lượng tích trữ. Những phát hiện này không chỉ khẳng định tiềm năng của màng BNKT trong các ứng dụng điện tử mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các vật liệu sắt điện không chì. Sự phát triển của màng sắt điện không chì có thể góp phần vào việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

3.1. Ảnh hưởng của pha tạp đến tính chất màng

Việc pha tạp Fe vào màng BNKT đã tạo ra sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc và tính chất điện của màng. Kết quả cho thấy rằng, tỉ lệ pha tạp x = 0.10 là tối ưu nhất, giúp cải thiện độ phân cực và mật độ năng lượng tích trữ. Những thay đổi này có thể được giải thích bởi sự méo mạng tinh thể do sự thay thế ion, từ đó tạo ra các vùng phân cực mới trong màng. Điều này chứng tỏ rằng, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp pha tạp là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa tính chất của vật liệu sắt điện không chì.