Luận án tiến sĩ: Chế tạo vật liệu sắt điện không chứa chì nền BaTiO3 và nghiên cứu tính chất điện môi, áp điện

• Tác giả: Nguyễn Văn Khiển
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Hồng
• Trường học: Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo vật liệu sắt điện không chứa chì nền BaTiO3: Tính chất điện môi và áp điện
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BaTiO3 (BTO)
• 1.1.1. Giới thiệu về BaTiO3
• 1.1.2. Cấu trúc của BaTiO3
• 1.1.2.1. Cấu trúc perovskite
• 1.1.2.2. Chuyển pha cấu trúc trong vật liệu BaTiO3
• 1.1.3. Một số tính chất điển hình của vật liệu BaTiO3
• 1.1.3.1. Tính chất điện môi của BaTiO3
• 1.1.3.2. Tính chất sắt điện của BaTiO3
• 1.1.3.3. Tính chất áp điện của BaTiO3
• 1.1.4. Một số vật liệu BaTiO3 biến tính
• 1.1.4.1. Vật liệu BaTiO3 biến tính bằng cách thay thế một phần Ti bằng Mn, Fe
• 1.1.4.2. Vật liệu BaTiO3 biến tính bằng cách thay thế một phần Ti bởi Zr
• 1.1.4.3. Biến tính BaTiO3 bằng cách thêm phụ gia tăng tính chất áp điện
• 1.1.5. Một số vật liệu sắt điện nền BaTiO3
• 1.1.6. Tổng quan về các vật liệu áp điện không chứa chì
• 1.1.6.1. Hệ vật liệu Na0
• 1.1.6.2. Hệ vật liệu K0
• 1.1.6.3. Hệ vật liệu NBT-KBT
• 1.1.6.4. Hệ vật liệu NBT-BT
• 1.1.6.5. Hệ vật liệu NBT-BT-KNN
• 1.1.6.6. Hệ vật liệu BZT-BCT
• 1.2. Phương pháp chế tạo mẫu
• 1.3. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.3.1. Phân tích cấu trúc vật liệu
• 1.3.1.1. Phân tích cấu trúc vật liệu bằng nhiễu xạ tia X
• 1.3.1.2. Phân tích cấu trúc vật liệu bằng phổ tán xạ Raman
• 1.3.2. Các phương pháp phân tích tính chất của hệ vật liệu
• 1.3.2.1. Tính chất điện môi
• 1.3.2.2. Tính chất sắt điện
• 1.3.2.3. Tính chất áp điện
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA Ca THAY THẾ Ba LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA BCT VÀ BZT-BCT
• 3.1. Khối lượng riêng của hai hệ mẫu BCT và BZT-BCT
• 3.2. Ảnh hưởng của thay thế Ca cho Ba lên cấu trúc của hệ BCT và BZT-BCT
• 3.3. Ảnh hưởng của thay thế Ca cho Ba lên độ dẫn xoay chiều của hệ BCT và BZT-BCT
• 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Ca lên tính chất điện môi của vật liệu
• 3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ca lên tính chất điện môi của vật liệu BCT
• 3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ Ca lên tính chất điện môi của vật liệu BZT-BCT
• 3.5. Ảnh hưởng của thay thế Ca cho Ba lên tính sắt điện
• 4. CHƯƠNG 4: MỐI LIÊN HỆ GIỮA THỜI GIAN HỒI PHỤC ĐIỆN MÔI VÀ ÁP ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU BCT VÀ BZT-BCT
• 4.1. Thời gian hồi phục điện môi của hệ BCT và BZT-BCT
• 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ Ca thay thế cho Ba lên tính áp điện của hệ BCT và BZT-BCT
• 4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ca lên tính chất áp điện của hệ vật liệu BCT
• 4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ Ca lên tính chất áp điện của hệ vật liệu BZT-BCT
• 4.3. Mối liên hệ giữa cấu trúc, thời gian hồi phục điện môi và áp điện
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG

I. Vật liệu sắt điện và vật liệu không chứa chì

Vật liệu sắt điện là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học vật liệu, đặc biệt là trong các ứng dụng điện tử và công nghệ cao. Vật liệu không chứa chì đang trở thành xu hướng nghiên cứu mới nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. BaTiO3 là một trong những vật liệu sắt điện không chứa chì tiềm năng, được nghiên cứu rộng rãi nhờ tính chất điện môi và áp điện vượt trội. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và phân tích các tính chất của vật liệu sắt điện BaTiO3, đặc biệt là khả năng thay thế các vật liệu chứa chì truyền thống.

1.1. Giới thiệu về BaTiO3

BaTiO3 là một vật liệu sắt điện nổi tiếng với cấu trúc perovskite, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và công nghệ cao. Vật liệu này có tính chất điện môi và áp điện ổn định, đặc biệt là ở nhiệt độ phòng. BaTiO3 không chứa chì là một lựa chọn thân thiện với môi trường, thay thế cho các vật liệu chứa chì như PZT. Nghiên cứu này nhằm khám phá tiềm năng của BaTiO3 trong việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường.

1.2. Tính chất điện môi của BaTiO3

Tính chất điện môi của BaTiO3 là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng điện tử. Vật liệu này có hằng số điện môi cao và tổn hao điện môi thấp, phù hợp cho các thiết bị tụ điện và cảm biến. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự thay đổi của tính chất điện môi theo nhiệt độ và tần số, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của BaTiO3 trong các thiết bị điện tử hiện đại.

II. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu BaTiO3

Nghiên cứu vật liệu và chế tạo vật liệu là hai quá trình quan trọng trong việc phát triển các vật liệu sắt điện không chứa chì. BaTiO3 được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, đảm bảo độ tinh khiết và tính đồng nhất của vật liệu. Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc biến tính BaTiO3 bằng cách thay thế các nguyên tố như Ca, Zr để cải thiện tính chất áp điện và tính chất điện môi của vật liệu.

2.1. Phương pháp chế tạo vật liệu

Chế tạo vật liệu là quá trình quan trọng để tạo ra các mẫu BaTiO3 chất lượng cao. Phương pháp phản ứng pha rắn được sử dụng để tổng hợp vật liệu, đảm bảo độ tinh khiết và tính đồng nhất. Nghiên cứu này cũng áp dụng các kỹ thuật phân tích như nhiễu xạ tia X và phổ Raman để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu.

2.2. Biến tính BaTiO3

Biến tính BaTiO3 bằng cách thay thế các nguyên tố như Ca, Zr là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính chất áp điện và tính chất điện môi của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của việc thay thế Ca lên cấu trúc và tính chất điện của BaTiO3, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị điện tử.

III. Tính chất áp điện của BaTiO3

Tính chất áp điện là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của vật liệu sắt điện trong các ứng dụng công nghệ cao. BaTiO3 có hệ số áp điện cao, đặc biệt là khi được biến tính bằng các nguyên tố như Ca, Zr. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất áp điện của BaTiO3, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị áp điện.

3.1. Ảnh hưởng của Ca lên tính chất áp điện

Việc thay thế Ca trong BaTiO3 có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất áp điện của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự thay đổi của hệ số áp điện theo nồng độ Ca, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị áp điện.

3.2. Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất áp điện

Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất áp điện của BaTiO3 là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của cấu trúc pha lên hệ số áp điện, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của BaTiO3 trong các thiết bị công nghệ cao.