Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3-Fe3O4

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện batio3 và tổ hợp batio3 fe3o4 có cấu trúc micro nano bằng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Sắt Điện BaTiO3 Và Tổ Hợp BaTiO3-Fe3O4 Bằng Phương Pháp Thủy Phân Nhiệt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu sắt điện
• 1.2. Phân cực tự phát và sự chuyển pha trong BaTiO3
• 1.2.1. Phân cực tự phát
• 1.2.2. Hiện tượng điện trễ - Cấu trúc domain
• 1.2.2.1. Hiện tượng điện trễ
• 1.2.2.2. Cấu trúc domain của vật liệu sắt điện
• 1.2.3. Chuyển pha sắt điện – thuận điện và nhiệt độ Curie sắt điện
• 1.2.3.1. Vật liệu gốm có cấu trúc Perovskite
• 1.2.3.2. Sự xê dịch trong tinh thể gốm perovskite
• 1.3. Vật liệu sắt điện BaTiO3
• 1.3.1. Ứng dụng của hạt nano BaTiO3
• 1.4. Vật liệu sắt từ Fe3O4
• 1.4.1. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
• 1.4.2. Tính chất từ
• 1.4.3. Ứng dụng của hạt nano từ Fe3O4
• 1.5. Dẫn truyền thuốc
• 1.6. Ứng dụng của chất lỏng từ
• 1.7. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 1.8. Dụng cụ và thiết bị
• 1.9. Tổng hợp BaTiO3
• 1.10. Tổng hợp vật liệu composit BaTiO3/Fe3O4
• 1.11. Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và cấu trúc vi mô
• 1.11.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.11.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope)
• 1.11.3. Hệ đo kích thước và phân bố kích thước - máy LB-550
• 1.11.4. Phương pháp đo từ kế mẫu rung
• 1.12. Các phương pháp nghiên cứu tính chất điện và sắt điện
• 1.12.1. Xác định hằng số điện môi
• 1.12.2. Xác định các thông số của vật liệu sắt điện
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chế tạo vật liệu BaTiO3
• 3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ Ba/Ti
• 3.1.2. Cấu trúc tinh thể
• 3.1.3. Cấu trúc vi mô
• 3.1.4. Tính chất điện và sắt điện
• 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.2.1. Cấu trúc tinh thể
• 3.2.2. Cấu trúc vi mô
• 3.2.3. Tính chất điện và sắt điện
• 3.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.3.1. Cấu trúc tinh thể
• 3.3.2. Cấu trúc vi mô
• 3.3.3. Tính chất điện và sắt điện
• 3.4. Chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano BaTiO3/Fe3O4
• 3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.4.2. Cấu trúc tinh thể
• 3.4.3. Cấu trúc vi mô
• 3.4.4. Tính chất điện và sắt điện
• 3.4.5. Tính chất từ
• 3.5. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.5.1. Cấu trúc tinh thể
• 3.5.2. Tính chất từ của mẫu composite
• 3.5.3. Tính chất điện và sắt điện
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan

Vật liệu sắt điện là một trong những loại vật liệu quan trọng trong khoa học vật liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử. BaTiO3 là một trong những vật liệu sắt điện nổi bật, với cấu trúc perovskite và tính chất điện môi cao. Vật liệu này có khả năng phân cực tự phát và có thể thay đổi độ phân cực dưới tác dụng của điện trường. Đặc điểm này làm cho BaTiO3 trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử, như tụ điện và cảm biến. Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện như BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3-Fe3O4 bằng phương pháp thủy phân nhiệt không chỉ giúp cải thiện tính chất điện mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu đa chức năng.

1.1 Vật liệu sắt điện

Vật liệu sắt điện được định nghĩa là những vật liệu có độ phân cực tự phát và không có tâm đối xứng. Cấu trúc tinh thể của chúng thường thuộc nhóm perovskite, cho phép sự phân cực tự phát xảy ra. BaTiO3 là một ví dụ điển hình, với hằng số điện môi lớn và khả năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử. Nghiên cứu về tính chất điện và tính chất ferroelectric của BaTiO3 cho thấy rằng vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến và tụ điện. Việc hiểu rõ về cơ chế phân cực tự phát và sự chuyển pha trong BaTiO3 là rất quan trọng để tối ưu hóa các ứng dụng thực tiễn của nó.

1.2 Vật liệu sắt từ Fe3O4

Vật liệu Fe3O4 là một loại vật liệu sắt từ có cấu trúc spinel, nổi bật với tính chất từ và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tính chất ferromagnetic của Fe3O4 cho phép nó được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ từ và cảm biến từ. Nghiên cứu về tổ hợp vật liệu BaTiO3-Fe3O4 có thể tạo ra các vật liệu mới với tính chất điện và từ độc đáo, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong công nghệ nano và điện tử. Việc kết hợp hai loại vật liệu này có thể tạo ra các sản phẩm với tính năng vượt trội, như cảm biến đa chức năng và thiết bị lưu trữ từ.

II. Phương pháp chế tạo

Phương pháp thủy phân nhiệt được sử dụng để chế tạo BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3-Fe3O4. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các hạt có kích thước đồng đều và độ tinh khiết cao. Quá trình này diễn ra trong môi trường kiềm, sử dụng các dung dịch muối Fe2+, Fe3+, Ba2+ và Ti3+. Kết quả thu được là các hạt nano với kích thước từ 200 đến 1000 nm, có tính chất điện và từ được cải thiện đáng kể. Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn của vật liệu.

2.1 Tổng hợp BaTiO3

Quá trình tổng hợp BaTiO3 bắt đầu bằng việc hòa tan các muối barium và titanium trong dung dịch kiềm. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào nồi hấp áp suất cao để thực hiện quá trình thủy phân nhiệt. Nhiệt độ và thời gian phản ứng được điều chỉnh để tối ưu hóa kích thước và tính chất của hạt. Kết quả cho thấy rằng BaTiO3 có thể được tổng hợp với độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng trong điện tử.

2.2 Tổng hợp vật liệu tổ hợp BaTiO3 Fe3O4

Tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 được thực hiện bằng cách kết hợp các hạt BaTiO3 với Fe3O4 trong quá trình thủy phân nhiệt. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian được tối ưu hóa để đạt được cấu trúc nano và tính chất điện từ mong muốn. Kết quả cho thấy rằng tổ hợp này không chỉ cải thiện tính chất điện mà còn tạo ra tính chất từ độc đáo, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các thiết bị cảm biến và lưu trữ từ.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3-Fe3O4 có tính chất điện và từ vượt trội. Đặc biệt, BaTiO3 có độ phân cực tự phát cao và khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Tổ hợp BaTiO3-Fe3O4 cho thấy tính chất từ mạnh mẽ, với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ tốt. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu đa chức năng, có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến, thiết bị lưu trữ và công nghệ nano.

3.1 Tính chất điện và sắt điện

Tính chất điện của BaTiO3 được xác định thông qua các thí nghiệm đo hằng số điện môi và độ phân cực. Kết quả cho thấy rằng BaTiO3 có hằng số điện môi cao, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng điện tử. Đặc biệt, độ phân cực tự phát của BaTiO3 cho thấy sự phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số, điều này rất quan trọng cho việc thiết kế các thiết bị điện tử hiện đại.

3.2 Tính chất từ của tổ hợp BaTiO3 Fe3O4

Tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 cho thấy tính chất từ mạnh mẽ, với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ tốt. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc kết hợp Fe3O4 với BaTiO3 không chỉ cải thiện tính chất điện mà còn tạo ra các tính chất từ độc đáo. Điều này mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các thiết bị cảm biến và lưu trữ từ, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghệ nano và điện tử.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 là những vật liệu có tính chất điện và từ đặc biệt, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử và y sinh. BaTiO3 là vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite với hằng số điện môi lớn, dao động từ 1000 đến 2000 ở nhiệt độ phòng và có thể lên đến 10^4 gần nhiệt độ Curie (120°C). Fe3O4 là vật liệu sắt từ với cấu trúc spinel, có tính chất từ đặc trưng và ứng dụng trong dẫn truyền thuốc, nhiệt trị và chất lỏng từ. Việc kết hợp BaTiO3 và Fe3O4 tạo ra vật liệu tổ hợp đa chức năng với cấu trúc micro-nano, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng mới.

Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo vật liệu BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 bằng phương pháp thủy phân nhiệt, nhằm kiểm soát cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và các tính chất điện, sắt điện, từ của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2011. Mục tiêu chính là tối ưu hóa tỷ lệ Ba/Ti, nhiệt độ và thời gian phản ứng để thu được vật liệu có cấu trúc tinh thể ổn định, kích thước hạt đồng đều và tính chất điện từ ưu việt, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp điện tử và y sinh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu đa chức năng micro-nano, góp phần nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng của vật liệu sắt điện và sắt từ trong các thiết bị điện tử, cảm biến và y học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu sắt điện BaTiO3: BaTiO3 có cấu trúc perovskite ABO3, với ion Ba2+ ở vị trí A và Ti4+ ở vị trí B. Sự phân cực tự phát xuất phát từ sự dịch chuyển ion Ti4+ trong khối bát diện oxy, tạo ra điện tích lệch tâm và dẫn đến tính chất sắt điện. Nhiệt độ Curie của BaTiO3 là 120°C, tại đó xảy ra chuyển pha từ pha thuận điện sang pha sắt điện với cấu trúc tứ giác, trực giao và hình thoi ở các nhiệt độ thấp hơn.

• Lý thuyết vật liệu sắt từ Fe3O4: Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo với ion Fe3+ phân bố ở vị trí tứ diện và bát diện, ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Tính chất từ của Fe3O4 phụ thuộc vào sự sắp xếp mômen spin của các ion Fe2+ và Fe3+. Kích thước hạt ảnh hưởng đến cấu trúc domain từ và lực kháng từ, với giới hạn đơn domain khoảng 84 nm.

• Mô hình vật liệu tổ hợp BaTiO3/Fe3O4: Kết hợp tính chất sắt điện của BaTiO3 và tính chất sắt từ của Fe3O4 tạo ra vật liệu đa chức năng, có thể điều chỉnh các tính chất điện và từ thông qua tỷ lệ pha, kích thước hạt và điều kiện tổng hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: phân cực tự phát, đường cong điện trễ P-E, cấu trúc domain, nhiệt độ Curie, cấu trúc perovskite, cấu trúc spinel, lực kháng từ, đơn domain và đa domain.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu BaTiO3 và BaTiO3/Fe3O4 được tổng hợp từ dung dịch muối BaCl2.2H2O, TiCl3, FeCl3.6H2O, FeSO4.6H2O trong môi trường kiềm (pH=13) bằng phương pháp thủy phân nhiệt.

• Quy trình tổng hợp: Dung dịch được xử lý trong bình teflon ở nhiệt độ 130-170°C trong thời gian 3-10 giờ, sau đó lọc, rửa và sấy khô ở 110°C trong 24 giờ.

• Phân tích cấu trúc: Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt theo công thức Scherrer. Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) và hệ đo kích thước hạt LB-550 để khảo sát cấu trúc vi mô và phân bố kích thước hạt.

• Đo tính chất điện và sắt điện: Hằng số điện môi được đo bằng máy LCR Meter PM3550 ở các tần số khác nhau. Đường cong điện trễ P-E và dòng dò theo thời gian I-t được đo bằng hệ thống Radiant Precision LC 10.

• Đo tính chất từ: Sử dụng từ kế mẫu rung để đo từ độ bão hòa Ms, lực kháng từ Hc và đường cong từ trễ của các mẫu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu được tổng hợp với tỷ lệ Ba/Ti thay đổi từ 1.2 đến 2, nhiệt độ phản ứng 130-170°C, thời gian 3-10 giờ nhằm khảo sát ảnh hưởng các yếu tố này đến cấu trúc và tính chất vật liệu.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong vòng 6 tháng, bao gồm các bước tổng hợp, xử lý mẫu, đo đạc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ Ba/Ti đến cấu trúc tinh thể:

   • Với tỷ lệ Ba/Ti = 1.6, mẫu BaTiO3 có cấu trúc tinh thể lập phương rõ ràng với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét, kích thước hạt trung bình khoảng 50-100 nm (FE-SEM).
   • Tỷ lệ Ba/Ti thấp (1.2) dẫn đến sự xuất hiện pha vô định hình và có thể tồn tại TiO2 dư thừa, làm giảm độ kết tinh.
   • Tỷ lệ Ba/Ti cao (1.8-2) tạo ra mẫu vô định hình do sự chuyển hóa Ba2+ thành BaCO3 và Ti thành TiO2.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng:

   • Nhiệt độ phản ứng 150°C và thời gian 7 giờ là điều kiện tối ưu để tạo ra BaTiO3 có cấu trúc tinh thể ổn định và kích thước hạt đồng đều.
   • Thời gian phản ứng tăng làm kích thước hạt tăng nhẹ, ảnh hưởng đến tính chất điện và sắt điện.

3. Tính chất điện và sắt điện của BaTiO3:

   • Hằng số điện môi của mẫu BaTiO3 (Ba/Ti=1.6) đạt giá trị khoảng 200-300 tại tần số 1 kHz đến 10 kHz, giảm dần khi tần số tăng.
   • Đường cong điện trễ P-E thể hiện rõ tính chất sắt điện với độ phân cực dư Pr và lực kháng điện Ec đặc trưng.

4. Tính chất từ và điện từ của vật liệu tổ hợp BaTiO3/Fe3O4:

   • Mẫu composite có từ độ bão hòa Ms đạt khoảng 18 emu/g và lực kháng từ Hc từ 2920 đến 3600 Oe, tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp.
   • Đường cong điện trễ và từ trễ cho thấy sự kết hợp tính chất sắt điện và sắt từ trong cùng một vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy tỷ lệ Ba/Ti là yếu tố quyết định cấu trúc tinh thể và tính chất điện của BaTiO3. Tỷ lệ Ba/Ti tối ưu khoảng 1.6 giúp tạo ra vật liệu có cấu trúc perovskite ổn định, kích thước hạt nano đồng đều, từ đó nâng cao hằng số điện môi và tính chất sắt điện. Nhiệt độ và thời gian phản ứng thủy phân nhiệt cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ kết tinh, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tổng hợp BaTiO3 nano.

Vật liệu tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa tính chất điện và từ, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị đa chức năng như cảm biến, bộ nhớ và y sinh. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, các mẫu composite đạt được từ độ bão hòa và lực kháng từ tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ hiệu quả của phương pháp thủy phân nhiệt trong việc kiểm soát cấu trúc micro-nano.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiễu xạ tia X thể hiện các pha tinh thể, ảnh SEM minh họa kích thước hạt, đồ thị hằng số điện môi theo tần số và đường cong điện trễ P-E, từ trễ M-H để minh chứng tính chất điện từ của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ Ba/Ti và điều kiện thủy phân nhiệt

   • Đề xuất duy trì tỷ lệ Ba/Ti khoảng 1.6, nhiệt độ phản ứng 150°C và thời gian 7 giờ để đạt cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ tối ưu.
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu và công nghiệp điện tử.
   • Timeline: 3-6 tháng để điều chỉnh quy trình sản xuất.

2. Phát triển vật liệu tổ hợp đa chức năng

   • Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng tỷ lệ pha Fe3O4 trong composite để điều chỉnh tính chất từ và điện phù hợp với ứng dụng cụ thể.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu vật liệu nano và công nghệ y sinh.
   • Timeline: 6-12 tháng nghiên cứu và thử nghiệm.

3. Ứng dụng trong cảm biến và bộ nhớ điện tử

   • Áp dụng vật liệu BaTiO3 nano và composite BaTiO3/Fe3O4 trong chế tạo cảm biến nhiệt, khí và bộ nhớ FRAM, DRAM với hiệu suất cao.
   • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp công nghệ điện tử và vi mạch.
   • Timeline: 1-2 năm phát triển sản phẩm thử nghiệm.

4. Nghiên cứu ứng dụng y sinh và dẫn truyền thuốc

   • Khai thác tính chất từ của Fe3O4 trong composite để phát triển các hạt mang thuốc từ tính, tăng hiệu quả điều trị ung thư và các bệnh khác.
   • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu y sinh và công ty dược phẩm.
   • Timeline: 2-3 năm nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và sắt điện

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp, ảnh hưởng các tham số đến cấu trúc và tính chất vật liệu BaTiO3 và composite.
   • Use case: Phát triển vật liệu mới cho cảm biến và thiết bị điện tử.

2. Kỹ sư công nghệ điện tử và vi mạch

   • Lợi ích: Áp dụng vật liệu BaTiO3 trong sản xuất tụ điện đa lớp, bộ nhớ và cảm biến.
   • Use case: Thiết kế linh kiện điện tử hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng.

3. Chuyên gia y sinh và dược học

   • Lợi ích: Nắm bắt ứng dụng hạt nano từ Fe3O4 trong dẫn truyền thuốc và nhiệt trị ung thư.
   • Use case: Phát triển công nghệ điều trị ung thư bằng hạt mang thuốc từ tính.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu và linh kiện nano

   • Lợi ích: Học tập phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tổng hợp và phân tích vật liệu micro-nano.
   • Use case: Tham khảo để thực hiện luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp thủy phân nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp BaTiO3?
   Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt thành phần, kích thước hạt đồng đều dưới 100 nm, nhiệt độ phản ứng thấp và sản phẩm có độ tinh khiết cao, phù hợp cho vật liệu micro-nano.

2. Tại sao tỷ lệ Ba/Ti ảnh hưởng lớn đến cấu trúc BaTiO3?
   Tỷ lệ Ba/Ti quyết định sự hình thành pha perovskite ổn định. Tỷ lệ không phù hợp gây ra pha vô định hình hoặc tạp chất như BaCO3, TiO2, làm giảm tính chất điện và sắt điện.

3. Kích thước hạt ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ của Fe3O4?
   Khi kích thước hạt nhỏ hơn 84 nm, hạt tồn tại ở trạng thái đơn domain với lực kháng từ cao nhất. Hạt nhỏ hơn giới hạn siêu thuận từ sẽ mất lực kháng từ và từ dư.

4. Composite BaTiO3/Fe3O4 có ứng dụng gì nổi bật?
   Composite kết hợp tính chất sắt điện và sắt từ, dùng trong cảm biến đa chức năng, bộ nhớ điện tử và ứng dụng y sinh như dẫn truyền thuốc từ tính và nhiệt trị ung thư.

5. Làm thế nào để đo hằng số điện môi và đường cong điện trễ của vật liệu?
   Hằng số điện môi được đo bằng máy LCR Meter ở các tần số khác nhau, đường cong điện trễ P-E được đo bằng hệ thống Radiant Precision LC 10, cho phép xác định độ phân cực dư và lực kháng điện.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu BaTiO3 và tổ hợp BaTiO3/Fe3O4 micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt với kích thước hạt 50-100 nm.
• Tỷ lệ Ba/Ti tối ưu khoảng 1.6, nhiệt độ 150°C và thời gian 7 giờ cho cấu trúc tinh thể ổn định và tính chất điện từ ưu việt.
• Vật liệu composite thể hiện sự kết hợp hiệu quả giữa tính chất sắt điện và sắt từ, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và y sinh.
• Phương pháp nghiên cứu và kết quả cung cấp cơ sở khoa học cho phát triển vật liệu đa chức năng micro-nano.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa thành phần và ứng dụng thực tiễn trong cảm biến, bộ nhớ và y học.

Áp dụng quy trình tổng hợp đã tối ưu để phát triển sản phẩm thử nghiệm và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan Chương 2. Thực nghiệm Chương 3. Kết quả và thảo luận Kết luận z 8 Chƣơng 1: Tổng quan 1.

Vật liệu sắt điện Vật liệu sắt điện thường được mô tả là vật liệu không có tâm đối xứng, có độ phân cực tự phát và độ phân cực này có thể thay đổi (đảo chiều được) dưới tác dụng của điện trường ngoài. Về mặt cấu trúc tinh thể, vật liệu sắt điện khá giống với vật liệu hoả điện tức là có cùng nhóm đối xứng điểm, chỉ có một trục phân cực và không có mặt đối xứng nào vuông góc với trục phân cực. Để độ phân cực trong vật liệu sắt điện có thể bị đảo chiều dưới tác dụng của điện trường ngoài, cấu trúc tinh thể của vật liệu sắt điện thường có tính đối xứng cao và trong tinh thể xảy ra những sự phá vỡ đối xứng nhỏ, điển hình là cấu trúc perovskite, khiến cho tâm của hệ các điện tích âm và hệ các điện tích dương không trùng nhau. Sự phá vỡ tính đối xứng này bao gồm sự chuyển dời có cực của các ion trong ô cơ sở.

Đường cong điện trễ của 1 số gốm sắt điện điển hình: thuận điện (a), sắt điện (b), relaxor(c), phản sắt điện (d) Các đặc tính của những vật liệu sắt điện là tính áp điện, hoả điện và sắt điện. Nổi bật trong các tính chất này là đặc trưng trễ của độ phân cực như là một hàm của điện trường ngoài (xem hình 1. Phân cực tự phát và sự chuyển pha trong BaTiO3 1.1 Phân cực tự phát a, Các cơ chế phân cực [1]: Độ phân cực tự phát được định nghĩa là giá trị mô men lưỡng cực điện trên một đơn vị thể tích, hoặc là giá trị của điện tích trên một đơn vị điện tích bề mặt vuông góc với trục của phân cực tự phát. Bản thân các tính chất điện liên quan rất mạnh đến cấu trúc tinh thể.

z 9 Trục phân cực tự phát thường là các trục tinh thể. Nhìn chung, các tinh thể có trục cực đều tồn tại hiệu ứng áp điện. Mọi phân tử trong chất điện môi đều trung hoà điện: Tổng các điện tích âm của các điện tử và điện tích dương của các hạt nhân nguyên tử bằng không. Nếu các điện tích dương có các tọa độ tương ứng là x+, y+, z+ thì cũng có thể định nghĩa “trọng tâm” chung của các điện tích dương G+ với toạ độ X+, Y+, Z+.

Tương tự, trong toạ độ “trọng tâm” chung của tất cả các điện tích âm G- với tạo độ X-, Y- Z-. Do chuyển động nhiệt, toạ độ của các điện tích riêng rẽ cũng như tạo độ của các “trọng tâm” G+ và G- thay đổi theo thời gian. Trong trường hợp này, ta cân xem xét vị trí trung bình của chúng. Nếu vị trí trung bình <G-> và <G+> của hai tâm điện trùng nhau, phân tử được xem như không phân cực.

Ngược lại, nếu vị trí trung bình bình <G-> và <G+> của hai tâm điện không trùng nhau, phân tử được coi là phân cực. Khi đó, các phân tử mang một mômen lưỡng cực tự phát hay độ phân cực tự phát. Có 3 cơ chế phân cực cơ bản sau: - Phân cực điện tử cảm ứng: Khi đặt một phân tử không phân cực (ví dụ như các phân tử H2, O2,.) trong một điện trường ngoài E , quỹ đạo của các điện tử bị biến dạng. Vị trí trung bình bình bình <G+> sẽ chuyển dịch tới <G‟+> với véc tơ G+G‟+ cùng chiều với véctơ E.

Vị trí trung bình <G-> sẽ dịch chuyển đến <G‟-> với véc tơ G-G‟- ngược chiều với véc tơ E. Lúc này, vị trí của các tâm điện G‟+ và G‟- sẽ lệch nhau và phân tử có mômen lưỡng cực p e gọi là mômen lưỡng cực cảm ứng điện tử. Nếu phân tử đã có mômen lưỡng cực tự phát, hiện tượng tương tự cũng sẽ xảy ra: điện trường ngoài làm biến đổi mômen lưỡng cực tự phát bằng cách bổ sung thêm mômen lưỡng cực cảm ứng làm định hướng các mômen này theo điện trường ngoài. - Phân cực ion cảm ứng: Hãy xét đến một tinh thể có cấu trúc “lưới tinh thể ion” (như BaTiO3, NaCl…).

Các tinh thể như vậy có thể được xem là một phân tử khổng lồ, trong đó các mạng ion dương và ion âm lồng vào nhau với điện tích tổng cộng trong một ô mạng bằng không, đồng thời các trọng tâm của các điện dương và âm trùng nhau. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các mạng ion dịch chuyển tương đối với nhau và làm xuất hiện điện tích liên kết trên các bề mặt tinh thể. Nếu một ion dương mang điện tích q+ dịch chuyển một khoảng l+ và một ion âm mang điện tích q- dịch chuyển một khoảng l-, một cặp ion đối dấu có một mômen lưỡng cực: pi = q+l+ - q-l- (1.1) Gọi N+ và N- là số ion dương và âm trên một đơn vị thể tích tương ứng, véc tơ phân cực ion Pi được viết như sau: Pi = N+q+l+ - N-q-l- (1.2) z 10 Chú ý rằng, sự phân cực ion vừa trình bày cũng được bổ sung bởi sự phân cực điện tử của từng ion. Do đó, sự phân cực tổng cộng sẽ là: P = Pe+Pi (1.3) - Phân cực định hướng: Trong các chất điện môi phân cực tự phát, mỗi phân tử điện môi được coi là một mômen lưỡng cực điện.

Do chuyển động nhiệt hỗn loạn, các lưỡng cực phân tử sắp xếp hỗn loạn theo mọi phương. Vì vậy, tổng mômen điện của các mômen điện bằng không. Khi tác dụng điện trường ngoài, các mômen định hướng theo trường ngoài. Điện trường ngoài càng lớn thì sự định hướng càng mạnh.

Trong trường hợp này, độ phân cực được tính bằng công thức sau: P = Np0L(a) (1.4) trong đó N là số phân tử của hệ, p0 mômen của một lưỡng cực điện, L(a) là hàm Langevin. Trong nhiều trường hợp, độ phân cực tự phát có thể xuất hiện trong một số hợp chất và ở dưới một nhiệt độ nào đó (gọi là nhiệt độ chuyển pha T0) ngay cả khi không có điện trường tác dụng. Sự xuất hiện của độ phân cực tự phát như vậy có thể liên quan đến sự thay đổi trật tự của các ion. Khi đó, sự biến đổi theo nhiệt độ của độ cảm điện môi chỉ quan sát thấy ở nhiệt độ T > T0.

Ở nhiệt độ T < T0 độ phân cực xuất hiện và tăng lên khi nhiệt độ giảm. Sắt điện là một tinh thể có cực, nó có tính chất đặc biệt là chiều phân cực tự phát khi không có trường ngoài. Trạng thái sắt điện chỉ tồn tại dưới một nhiệt độ tới hạn To nào đó. b, Sự phân cực của perovskite sắt điện: Trong vật liệu perovskite sắt điện, xét tương tác giữa ion O2- ở đỉnh bát diện và ion B4+ nằm trong hốc bát diện.

Do sự cạnh tranh giữa hai tương tác đẩy Pauli và hút Coulomb nên xuất hiện một cực tiểu năng lượng (hố thế). Xét tương tác của một ion O2- khác nằm ở phía đối diện với ion O2- đã xét so với B4+ ta cũng có một hố thế khác. Hai hố thế này không trùng khít lên nhau nên tạo thành hai hố nằm về hai phía tâm điện tích của hai ion O2- đã xét. Ion B4+ có thể nằm tại một trong hai hố thế trên mà hố thế này lại không phải là tâm điện tích âm nên xuất hiện một lưỡng cực điện tự phát P.

Do hàng rào thế ranh giới giữa 2 hố thế trên là khá cao, cỡ một vài eV, nên phân cực điện này rất bền vững ngay cả khi có điện trường ngoài. Hai hố thế này hình thành càng rõ rệt và chiều cao của hàng rào thế càng lớn khi khoảng cách giữa các ion O2- nằm trên các đỉnh của khối bát diện càng lớn. Hiện tượng phân cực tự phát liên quan rất chặt chẽ tới chuyển pha cấu trúc. z 11 Hãy xét trường hợp phân cực tự phát của vật liệu perovskite BaTiO3 tại các pha cấu trúc khác nhau.

Tại nhiệt độ lớn hơn 120°C của BaTiO3 có cấu trúc lập phương (hình 1. Lúc này cấu trúc là xếp chặt hoàn hảo nên không có sự phân cực tự phát trong ô mạng. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 120°C BaTiO3 có 3 pha cấu trúc khác. Bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron, người ta đã xác định được độ dịch chuyển của các ion trong ô mang BaTiO3 sắt điện.

Chính sự dịch chuyển này đã làm thay đổi sự phân bố các ion trong mạng BaTiO3 tạo nên sự nén mạng và chuyển cấu trúc từ lập phương sang tứ giác. Như vậy, nguyên nhân của hiện tượng phân cực tự phát trong BaTiO3 là do độ linh động lớn của Ti trong khối bát diện oxy. Pha cấu trúc và phân cực tự phát BaTiO3 Tương tự, ở pha đơn tà, hai cạnh đối diện của ô mạng perovskite bị “kéo giãn” làm xuất hiện véc-tơ phân cực tự phát song song với đường chéo của mặt bị kéo giãn của ô mạng. Với pha trực thoi, 2 đỉnh đối diện của ô cơ sở bị “kéo giãn” làm xuất hiện véc – tơ phân cực tự phát dọc theo đường chéo chính của ô mạng.

Hiện tƣợng điện trễ - Cấu trúc domain 1.1 Hiện tƣợng điện trễ Vật liệu sắt điện là vật liệu có độ phân cực tự phát dưới tác dụng của điện trường ngoài độ phân cực này sẽ thay đổi về độ lớn và hướng. Tính chất đặc trưng này của vật liệu sắt điện được thể hiện bằng đường cong điện trễ mô tả sự phụ thuộc của độ phân cực vào cường độ điện trường ngoài (xem hình 1. Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện Đường cong điện trễ P-E cho các thông tin sau về vật liệu: độ phân cực bão hòa Ps, độ phân cực dư PR, lực kháng điện EC. Qua đường cong điện trễ, ta thấy với vật liệu sắt điện, độ phân cực không tỉ lệ bậc nhất với cường độ điện trường ngoài.

Do đó, độ cảm điện môi χ và hằng số điện môi ε không phải là hằng số mà phụ thuộc vào cường độ điện trường ngoài. Độ phân cực ban đầu khi chưa có tác dụng của điện trường ngoài được chọn bằng 0. Khi đặt trong một điện trường ngoài với cường độ tăng dần, độ phân cực của khối sắt điện cũng tăng dần (đoạn BC) lên đến một giá trị bão hoà Ps (đoạn CD), lúc đó cường độ điện trường nếu tiếp tục tăng thì độ phân cực cũng không tăng lên nữa. Nếu giảm cường độ điện trường thì độ phân cực cũng giảm theo nhưng không về đúng giá trị 0 ban đầu.

Khi cường độ điện trường bằng 0 thì trong vật liệu vẫn còn một độ phân cực nhất định hay còn gọi là độ phân cực dư Pr (điểm E).