I. Tổng quan lý thuyết
Nghiên cứu về điện môi áp điện của gốm không chì KNaLiSbNbO3 và BiNaKZrO3 bắt đầu với việc tìm hiểu các khái niệm cơ bản về vật liệu sắt điện. Vật liệu sắt điện là những chất có khả năng phân cực tự phát, tạo ra mômen lưỡng cực điện mà không cần điện trường bên ngoài. Đặc điểm này làm cho chúng khác biệt so với các chất điện môi thông thường. Đặc biệt, cấu trúc perovskite ABO3 là một trong những cấu trúc phổ biến nhất trong các vật liệu sắt điện, với các ion dương A và B có bán kính khác nhau. Sự thay đổi cấu trúc này có thể ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các hệ gốm áp điện không chì, đặc biệt là trên nền KNN, có tiềm năng lớn trong việc thay thế các vật liệu chứa chì, nhờ vào tính thân thiện với môi trường và tính chất điện tốt.
1.1. Vật liệu sắt điện
Sắt điện là hiện tượng xảy ra ở một số chất điện môi có phân cực tự phát ngay cả khi không có điện trường ngoài. Độ phân cực điện tồn tại ngay cả khi không có điện trường ngoài, nhưng trên toàn vật liệu, mômen lưỡng cực điện tổng cộng có giá trị bằng 0. Tính chất sắt điện được nhà khoa học Valasek phát hiện lần đầu tiên năm 1920 trên muối Rochelle. Độ phân cực điện là tổng các vectơ mômen lưỡng cực của các phân tử trong một đơn vị thể tích của khối điện môi. Độ phân cực điện tỉ lệ với cường độ điện trường ngoài, thể hiện qua đường cong điện trễ. Đường cong này cho thấy sự phụ thuộc của độ phân cực vào điện trường, với các điểm quan trọng như độ phân cực bão hòa và độ phân cực dư.
1.2. Cấu trúc perovskite
Cấu trúc perovskite là một trong những cấu trúc quan trọng trong nghiên cứu vật liệu sắt điện. Cấu trúc này có công thức chung là ABO3, trong đó A và B là các ion dương có bán kính khác nhau. Cấu trúc này có thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác như hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thế bởi các nguyên tố khác. Sự thay đổi cấu trúc này có thể ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu, đặc biệt là trong các hệ gốm áp điện không chì. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung các hợp chất perovskite khác vào nền KNN có thể cải thiện đáng kể các tính chất điện của gốm.
1.3. Tiềm năng của vật liệu áp điện không chứa chì
Vật liệu áp điện không chứa chì đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng do những tác động tiêu cực của chì đối với sức khỏe con người và môi trường. Các hệ gốm áp điện như KNN và BNKT đã cho thấy tính sắt điện mạnh và nhiệt độ Curie cao, làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng để thay thế các vật liệu chứa chì. Nghiên cứu về các hệ gốm này không chỉ giúp cải thiện tính chất điện mà còn góp phần vào việc phát triển các công nghệ bền vững hơn trong ngành công nghiệp vật liệu.
II. Chế tạo mẫu và ảnh hưởng của nồng độ BNKZ
Chế tạo mẫu gốm không chì KNaLiSbNbO3 và BiNaKZrO3 là một quá trình quan trọng trong nghiên cứu này. Việc điều chỉnh nồng độ của BNKZ có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất điện của hệ gốm. Các phương pháp chế tạo như thiêu kết và phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc vi mô của mẫu. Kết quả cho thấy rằng nồng độ BNKZ cao có thể cải thiện mật độ gốm và tính chất điện môi. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nồng độ BNKZ cũng được khảo sát, cho thấy rằng hằng số điện môi tăng lên khi nồng độ BNKZ tăng, điều này có thể được giải thích bởi sự cải thiện trong cấu trúc vi mô của gốm.
2.1. Công nghệ chế tạo gốm
Công nghệ chế tạo gốm không chì KNaLiSbNbO3 và BiNaKZrO3 bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, trộn đều, ép mẫu và thiêu kết. Quá trình thiêu kết diễn ra ở nhiệt độ cao, giúp tạo ra cấu trúc tinh thể ổn định. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian thiêu kết là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của mẫu gốm. Các phương pháp phân tích như XRD và SEM được sử dụng để đánh giá cấu trúc và vi cấu trúc của mẫu gốm sau khi thiêu kết.
2.2. Ảnh hưởng của nồng độ BNKZ đến cấu trúc
Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ BNKZ có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc của hệ gốm (1-x)KNLSN–xBNKZ. Khi nồng độ BNKZ tăng, cấu trúc vi mô của gốm cũng thay đổi, dẫn đến sự cải thiện trong các tính chất điện. Các mẫu gốm với nồng độ BNKZ cao cho thấy mật độ gốm lớn hơn và tính chất điện môi tốt hơn. Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh nồng độ BNKZ là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa các tính chất điện của gốm không chì.
III. Nghiên cứu các tính chất điện môi sắt điện và áp điện
Nghiên cứu các tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của hệ gốm (1-x)KNLSN–xBNKZ là một phần quan trọng trong luận văn này. Các thí nghiệm được thực hiện để khảo sát sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nồng độ BNKZ và nhiệt độ. Kết quả cho thấy rằng hằng số điện môi tăng lên khi nồng độ BNKZ tăng, đồng thời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Tính chất áp điện của hệ gốm cũng được khảo sát, cho thấy rằng hệ số áp điện d33 có sự cải thiện đáng kể khi nồng độ BNKZ tăng. Những phát hiện này không chỉ cung cấp thông tin quý giá về tính chất điện của gốm không chì mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu áp điện thân thiện với môi trường.
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ BNKZ đến các tính chất điện môi
Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ BNKZ có ảnh hưởng lớn đến các tính chất điện môi của hệ gốm. Hằng số điện môi ε tăng lên khi nồng độ BNKZ tăng, điều này cho thấy sự cải thiện trong cấu trúc vi mô của gốm. Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng tổn hao điện môi tgδ giảm khi nồng độ BNKZ tăng, cho thấy rằng các mẫu gốm có nồng độ BNKZ cao có tính chất điện tốt hơn. Những kết quả này cho thấy rằng việc điều chỉnh nồng độ BNKZ là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa các tính chất điện của gốm không chì.
3.2. Tính chất sắt điện của hệ gốm
Tính chất sắt điện của hệ gốm (1-x)KNLSN–xBNKZ cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy rằng độ phân cực dư Pr và điện trường kháng Ec có sự phụ thuộc vào nồng độ BNKZ. Khi nồng độ BNKZ tăng, độ phân cực dư Pr tăng lên, cho thấy rằng các mẫu gốm có khả năng duy trì phân cực tốt hơn. Điều này có thể được giải thích bởi sự cải thiện trong cấu trúc vi mô của gốm. Những phát hiện này không chỉ cung cấp thông tin quý giá về tính chất sắt điện của gốm không chì mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu áp điện thân thiện với môi trường.
