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.
