CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ

• Tác giả: Lê Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Ngọc Toàn
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Huế
• Chuyên ngành: Vật Lý Chất Rắn
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Một Số Tính Chất Vật Lý Của Vật Liệu Đa Pha Điện Từ
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ
• 2.1. Tổng quan về vật liệu đa pha điện từ
• 2.2. Tính chất sắt điện. Trạng thái trật tự từ
• 2.3. Tính sắt điện đàn hồi và hiệu ứng từ đàn hồi
• 2.4. Vật liệu đa pha điện từ với hiệu ứng từ điện
• 2.5. Vật liệu cấu trúc spinel AB2O4. Vật liệu BaReFeO4
• 2.6. Kết luận chương 1
• 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Các phương pháp chế tạo mẫu
• 3.2. Phương pháp phản ứng pha rắn
• 3.3. Phương pháp sol-gel
• 3.4. Các phương pháp xác định cấu trúc
• 3.5. Cơ sở phương pháp nhiễu xạ dạng bột
• 3.6. Phương pháp xử lý số liệu Rietveld
• 3.7. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 3.8. Phương pháp nhiễu xạ neutron. Phổ kế DN-12
• 3.9. Phổ kế DN 6
• 3.10. Kỹ thuật áp suất cao
• 3.11. Ô mạng đế kim cương
• 3.12. Phương pháp đo từ độ
• 3.13. Phương pháp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.14. Phương pháp tán xạ Raman
• 3.15. Phương pháp UV-VIS
• 3.16. Phương pháp quang phổ năng lượng tia X (XPS)
• 3.17. Phương pháp phiếm hàm mật độ DFT
• 3.18. Kết luận chương 2
• 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU CẤU TRÚC SPINEL Mn3O4
• 4.1. Ảnh hưởng áp suất cao đến cấu trúc tinh thể của vật liệu spinel Mn3O4
• 4.2. Chuyển pha từ theo nhiệt độ trong vật liệu Mn3O4
• 4.3. Chuyển pha trật tự từ dưới áp suất cao trong vật liệu Mn3O4
• 4.4. Giải thích cơ chế vi mô của các chuyển pha từ dưới áp suất cao trong vật liệu Mn3O4 sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ
• 4.5. Kết luận chương 3
• 5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU BaYFeO4
• 5.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BaYFeO4 ở nhiệt độ phòng
• 5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu BaYFeO4
• 5.3. Ảnh hưởng của từ trường ngoài lên tính chất từ của vật liệu BaYFeO4
• 5.4. Ảnh hưởng của áp suất cao đến cấu trúc tinh thể và cấu trúc pha trật tự từ của vật liệu BaYFeO4
• 5.5. Kết luận chương 4
• 6. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI THÀNH PHẦN HÓA HỌC ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ
• 6.1. Ảnh hưởng của sự pha tạp các kim loại chuyển tiếp vào vị trí Fe đến tính chất của BaYFeO4
• 6.2. Tính chất hình thái học và tính chất cấu trúc của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4
• 6.3. Tính chất dao động Raman của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4
• 6.4. Trạng thái hóa trị của các ion kim loại chuyển tiếp trong các vật liệu BaYFe1-xCoxO4
• 6.5. Ảnh hưởng của sự pha tạp Co đến tính chất từ của hệ vật liệu BaYFe1-xCoxO4
• 6.6. Ảnh hưởng của sự thay thế Y bằng các nguyên tố đất hiếm đến tính chất của hệ BaReFeO4
• 6.7. Tính chất cấu trúc và tính chất từ của các vật liệu BaReFeO4
• 6.8. Ảnh hưởng của sự pha tạp Dy vào vị trí của Y đến tính chất vật lý của hệ vật liệu BaY1-xDyxFeO4
• 6.9. Kết luận chương 5
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Đa Pha Điện Từ Luận Án Tiến Sĩ

Vật liệu đa pha điện từ đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học trong nước và quốc tế. Không chỉ bởi những hiện tượng vật lý mới mẻ mà còn bởi tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Theo định nghĩa chung, vật liệu đa pha điện từ là vật liệu sở hữu đồng thời nhiều hơn một trong ba trật tự sắt cơ bản: sắt điện, sắt từ và sắt đàn hồi. Mối tương quan giữa trật tự từ và các trạng thái trật tự sắt khác thường dẫn đến sự hình thành các pha trật tự từ phức tạp, thay đổi cấu trúc tinh thể. Hiểu rõ cấu trúc tinh thể, cấu trúc pha trật tự từ và cơ chế hình thành pha trật tự từ là yếu tố then chốt để nắm bắt bản chất các hiện tượng vật lý. Luận án này tập trung nghiên cứu sâu về các tính chất vật lý của loại vật liệu đặc biệt này.

1.1. Định Nghĩa và Phân Loại Vật Liệu Đa Pha Điện Từ

Vật liệu đa pha điện từ được định nghĩa là vật liệu kết hợp hai hoặc nhiều pha vật chất khác nhau với ít nhất một pha thể hiện tính chất điện từ. Các pha này có thể là sắt điện, sắt từ, hoặc sắt đàn hồi. Phân loại vật liệu đa pha điện từ dựa trên sự kết hợp các pha: vật liệu hai pha (ví dụ: sắt điện-sắt từ), vật liệu ba pha (sắt điện-sắt từ-sắt đàn hồi). Mỗi loại có những ứng dụng khác nhau, từ cảm biến đến thiết bị lưu trữ.

1.2. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Vật Liệu Đa Pha Điện Từ

Nghiên cứu về vật liệu đa pha điện từ mở ra cơ hội phát triển các ứng dụng đột phá. Khả năng điều khiển tính chất từ bằng điện trường và ngược lại (hiệu ứng từ điện) hứa hẹn ứng dụng trong chế tạo cảm biến độ nhạy cao, thiết bị cộng hưởng từ điều khiển điện trường. Ngoài ra, chúng còn có tiềm năng trong bộ chuyển đổi cực nhanh, bộ lọc, thiết bị lưu trữ dữ liệu đa trạng thái. Theo [70, 76], việc tích hợp đa trạng thái trật tự trên cùng một pha vật liệu giúp giảm kích thước và tăng tốc độ thiết bị điện tử.

II. Thách Thức Chế Tạo Vật Liệu Đa Pha Điện Từ Hiệu Quả

Mặc dù tiềm năng ứng dụng rất lớn, việc chế tạo vật liệu đa pha điện từ với tính chất mong muốn vẫn còn nhiều thách thức. Trước thập niên đầu thế kỷ XX, nhiều người cho rằng vật liệu đa pha điện từ với tương quan từ điện mạnh là không thể. Điều này xuất phát từ sự khác biệt về bản chất của các pha trật tự điện và trật tự từ. Việc kiểm soát cấu trúc và thành phần pha, cũng như tối ưu hóa tương tác giữa các pha, đòi hỏi các kỹ thuật chế tạo tiên tiến và sự hiểu biết sâu sắc về vật lý vật liệu.

2.1. Kiểm Soát Cấu Trúc và Thành Phần Pha Vật Liệu

Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát chính xác cấu trúc và thành phần pha trong quá trình chế tạo. Sự thay đổi nhỏ trong tỷ lệ thành phần có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất điện từ. Các phương pháp chế tạo tiên tiến như phương pháp sol-gel, phương pháp phản ứng pha rắn và phương pháp lắng đọng màng mỏng được sử dụng để đạt được độ chính xác cao.

2.2. Tối Ưu Hóa Tương Tác Giữa Các Pha Điện Từ

Để đạt được hiệu ứng đa pha điện từ mạnh mẽ, tương tác giữa các pha phải được tối ưu hóa. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế tương tác, bao gồm tương tác trao đổi, tương tác từ điện, và tương tác đàn hồi. Việc sử dụng các vật liệu nano và cấu trúc nano có thể tăng cường diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha, từ đó cải thiện tương tác.

2.3. Ổn Định Tính Chất Điện Từ của Vật Liệu

Việc duy trì sự ổn định của tính chất điện từ theo thời gian và điều kiện môi trường là một thách thức khác. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tương tác giữa các pha. Cần có các biện pháp bảo vệ và ổn định, chẳng hạn như bọc vật liệu bằng lớp bảo vệ hoặc sử dụng quy trình xử lý nhiệt đặc biệt.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Đa Pha Điện Từ Tiên Tiến

Luận án này sử dụng nhiều phương pháp chế tạo vật liệu tiên tiến để tạo ra các mẫu vật liệu đa pha điện từ với tính chất được kiểm soát. Các phương pháp bao gồm phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp sol-gel, và kỹ thuật áp suất cao. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và được lựa chọn phù hợp với loại vật liệu và mục tiêu nghiên cứu cụ thể.

3.1. Phương Pháp Phản Ứng Pha Rắn Quy Trình Chi Tiết

Phương pháp phản ứng pha rắn là một kỹ thuật chế tạo vật liệu truyền thống. Bắt đầu bằng cách trộn các oxit kim loại với tỷ lệ thích hợp, sau đó nghiền mịn hỗn hợp để đảm bảo độ đồng nhất. Hỗn hợp được nung ở nhiệt độ cao trong thời gian dài để các thành phần phản ứng với nhau và tạo thành pha mong muốn. Nhiệt độ và thời gian nung ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.2. Phương Pháp Sol Gel Ưu Điểm và Ứng Dụng

Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo vật liệu với độ đồng nhất cao và kích thước hạt nhỏ. Bắt đầu bằng cách tạo ra một sol (hệ keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển sol thành gel thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ. Gel được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu oxit. Phương pháp sol-gel đặc biệt phù hợp để chế tạo vật liệu nano và màng mỏng.

3.3. Kỹ Thuật Áp Suất Cao Nghiên Cứu Cấu Trúc và Tính Chất

Kỹ thuật áp suất cao được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu. Các mẫu vật liệu được đặt trong một ô áp suất cao, và áp suất được tăng dần. Các phép đo nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ neutron được thực hiện để theo dõi sự thay đổi cấu trúc dưới áp suất. Kỹ thuật áp suất cao giúp khám phá các pha mới và hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển pha.

IV. Phân Tích Cấu Trúc và Tính Chất Vật Lý Vật Liệu BaYFeO4

Luận án tập trung vào nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu BaYFeO4. Vật liệu này thể hiện nhiều pha từ tính phức tạp, và có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị từ điện. Các phương pháp phân tích cấu trúc như nhiễu xạ tia X (XRD), nhiễu xạ neutron (NPD), và kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và hình thái học của vật liệu. Các tính chất từ tính được đo bằng máy đo từ độ (VSM).

4.1. Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể bằng Phương Pháp Nhiễu Xạ

Nhiễu xạ tia X (XRD) và nhiễu xạ neutron (NPD) là các phương pháp mạnh mẽ để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Dữ liệu nhiễu xạ được phân tích bằng phương pháp Rietveld để tinh chỉnh các thông số cấu trúc, bao gồm hằng số mạng, vị trí nguyên tử, và độ chiếm vị trí. Kết quả cho thấy BaYFeO4 có cấu trúc trực thoi ở nhiệt độ phòng.

4.2. Nghiên Cứu Hình Thái Học Bằng Kính Hiển Vi Điện Tử Quét SEM

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về hình thái học bề mặt của vật liệu. Ảnh SEM cho thấy BaYFeO4 có cấu trúc hạt với kích thước khác nhau. Kích thước hạt và hình dạng hạt ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Điều chỉnh phương pháp chế tạo có thể kiểm soát kích thước hạt và độ đồng nhất của vật liệu.

4.3. Đo Đạc Tính Chất Từ Tính Bằng Máy Đo Từ Độ VSM

Máy đo từ độ (VSM) được sử dụng để đo đạc tính chất từ tính của vật liệu. Các phép đo bao gồm đường cong từ trễ, sự phụ thuộc của độ từ hóa vào nhiệt độ, và sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trường. Kết quả cho thấy BaYFeO4 thể hiện các pha từ tính phức tạp, bao gồm pha phản sắt từ ở nhiệt độ thấp và pha thuận từ ở nhiệt độ cao.

V. Ứng Dụng Vật Liệu Đa Pha Điện Từ Tiềm Năng và Triển Vọng

Các ứng dụng tiềm năng của vật liệu đa pha điện từ là rất lớn và đa dạng. Khả năng điều khiển tính chất từ bằng điện trường và ngược lại mở ra cơ hội phát triển các thiết bị điện tử tiên tiến. Luận án này khám phá một số ứng dụng tiềm năng của vật liệu BaYFeO4 và các vật liệu liên quan.

5.1. Cảm Biến Từ Điện Độ Nhạy Cao và Kích Thước Nhỏ

Khả năng điều khiển tính chất từ bằng điện trường cho phép chế tạo cảm biến từ điện với độ nhạy cao và kích thước nhỏ. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y sinh học, ô tô, và điện tử tiêu dùng.

5.2. Thiết Bị Lưu Trữ Dữ Liệu Đa Trạng Thái Tốc Độ và Dung Lượng

Vật liệu đa pha điện từ có thể được sử dụng để chế tạo thiết bị lưu trữ dữ liệu đa trạng thái. Khả năng lưu trữ nhiều bit dữ liệu trên một ô nhớ giúp tăng tốc độ và dung lượng lưu trữ.

5.3. Linh Kiện Điện Tử Viba Hiệu Suất và Tần Số

Vật liệu đa pha điện từ có thể được sử dụng trong các linh kiện điện tử viba, bao gồm bộ lọc, bộ dao động, và anten. Khả năng điều chỉnh tính chất điện từ bằng điện trường giúp cải thiện hiệu suất và tần số hoạt động của các linh kiện này.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Đa Pha Điện Từ

Luận án đã thành công trong việc chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu đa pha điện từ. Các kết quả thu được cung cấp thông tin quan trọng để hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác giữa các pha và tối ưu hóa tính chất của vật liệu. Hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm phát triển các phương pháp chế tạo mới, khám phá các vật liệu đa pha điện từ mới, và ứng dụng các vật liệu này trong các thiết bị điện tử tiên tiến.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Luận án đã trình bày chi tiết các kết quả nghiên cứu về cấu trúc, tính chất từ tính, và ứng dụng tiềm năng của vật liệu BaYFeO4 và các vật liệu liên quan. Các kết quả này góp phần vào sự hiểu biết sâu sắc hơn về vật liệu đa pha điện từ.

6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm khám phá các vật liệu đa pha điện từ mới với tính chất vượt trội, phát triển các phương pháp chế tạo tiên tiến hơn, và ứng dụng các vật liệu này trong các thiết bị điện tử tiên tiến. Nghiên cứu về vật liệu nano và cấu trúc nano cũng hứa hẹn mang lại những kết quả đột phá.

6.3. Thúc Đẩy Hợp Tác Nghiên Cứu và Phát Triển Công Nghệ

Để thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực vật liệu đa pha điện từ, cần tăng cường hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, các trường đại học, và các doanh nghiệp. Việc chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm, và nguồn lực sẽ giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ.