Tổng Hợp Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của PbTiO3 Pha Tạp Một Số Ion Kim Loại

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang điện của pbtio3 pha tạp ion kim loại chuyển tiếp, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật liệu.

• Tác giả: Hà Vân Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của Vật Liệu PbTiO3 Pha Tạp Ion Kim Loại
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của Vật Liệu PbTiO3

Vật liệu PbTiO3, thuộc nhóm perovskite, đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu vật liệu quang điện. Với tính chất quang điện độc đáo, PbTiO3 có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ quang điện.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Của Vật Liệu PbTiO3

Cấu trúc của PbTiO3 là dạng perovskite, với công thức hóa học ABO3. Cation A là Pb2+, cation B là Ti4+, và anion O2- tạo thành mạng tinh thể đặc trưng. Cấu trúc này mang lại nhiều tính chất điện và quang độc đáo, làm cho PbTiO3 trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang điện.

1.2. Tính Chất Quang Điện Của Vật Liệu PbTiO3

Tính chất quang điện của PbTiO3 được xác định bởi khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng. Vật liệu này có độ rộng vùng cấm lớn, khoảng 3 eV, ảnh hưởng đến hiệu suất quang điện. Nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp ion kim loại có thể làm giảm độ rộng vùng cấm, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của PbTiO3

Mặc dù PbTiO3 có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng. Độ rộng vùng cấm lớn là một trong những vấn đề chính, làm giảm hiệu suất quang điện. Hơn nữa, việc pha tạp ion kim loại cần được thực hiện một cách chính xác để không làm giảm tính chất quang điện của vật liệu.

2.1. Độ Rộng Vùng Cấm Và Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất

Độ rộng vùng cấm lớn của PbTiO3, khoảng 3 eV, dẫn đến hiệu suất ánh sáng mặt trời thấp. Việc pha tạp ion kim loại có thể giúp thu hẹp độ rộng này, nhưng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo không làm giảm tính chất quang điện.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Pha Tạp Ion Kim Loại

Pha tạp ion kim loại vào PbTiO3 là một quá trình phức tạp. Cần phải xác định đúng loại ion và nồng độ để đạt được tính chất quang điện mong muốn. Việc này đòi hỏi nhiều nghiên cứu và thử nghiệm để tìm ra công thức tối ưu.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của PbTiO3

Để nghiên cứu tính chất quang điện của PbTiO3, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định cấu trúc mà còn đánh giá tính chất quang điện của vật liệu. Việc sử dụng các công nghệ hiện đại như phổ UV-Vis và nhiễu xạ Rơnghen đã mang lại những kết quả đáng chú ý.

3.1. Phương Pháp Phổ UV Vis Đánh Giá Tính Chất Quang

Phương pháp phổ UV-Vis được sử dụng để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của PbTiO3. Kết quả từ phương pháp này cho thấy sự thay đổi trong phổ hấp thụ khi pha tạp ion kim loại, từ đó giúp đánh giá tính chất quang điện của vật liệu.

3.2. Nhiễu Xạ Rơnghen Để Phân Tích Cấu Trúc

Nhiễu xạ Rơnghen là phương pháp quan trọng để phân tích cấu trúc tinh thể của PbTiO3. Phương pháp này giúp xác định các thông số mạng và cấu trúc tinh thể, từ đó liên hệ với tính chất quang điện của vật liệu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vật Liệu PbTiO3 Trong Công Nghệ Quang Điện

Vật liệu PbTiO3 có nhiều ứng dụng trong công nghệ quang điện, đặc biệt là trong các thiết bị chuyển đổi quang – điện. Nhờ vào tính chất quang điện độc đáo, PbTiO3 có thể được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và cảm biến quang. Nghiên cứu về ứng dụng này đang được mở rộng để cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

4.1. Tấm Pin Mặt Trời Dựa Trên PbTiO3

Tấm pin mặt trời sử dụng PbTiO3 có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng hiệu quả. Việc pha tạp ion kim loại giúp cải thiện hiệu suất quang điện, mở ra cơ hội cho các ứng dụng năng lượng tái tạo.

4.2. Cảm Biến Quang Sử Dụng PbTiO3

Cảm biến quang dựa trên PbTiO3 có khả năng phát hiện ánh sáng với độ nhạy cao. Tính chất quang điện của vật liệu cho phép phát hiện các tín hiệu quang trong các ứng dụng công nghiệp và y sinh.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của PbTiO3

Nghiên cứu tính chất quang điện của vật liệu PbTiO3 pha tạp ion kim loại mở ra nhiều triển vọng cho các ứng dụng trong công nghệ quang điện. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng việc cải thiện tính chất quang điện thông qua pha tạp có thể giúp nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của vật liệu này trong tương lai.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Nghiên cứu về PbTiO3 sẽ tiếp tục được mở rộng, đặc biệt là trong việc tìm kiếm các ion kim loại mới để pha tạp. Điều này có thể dẫn đến những phát hiện mới về tính chất quang điện và ứng dụng của vật liệu.

5.2. Tầm Quan Trọng Của PbTiO3 Trong Công Nghệ Hiện Đại

PbTiO3 không chỉ là một vật liệu quan trọng trong nghiên cứu mà còn có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghệ hiện đại. Việc phát triển và tối ưu hóa vật liệu này sẽ góp phần vào sự tiến bộ của công nghệ quang điện trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Gần đây vật liệu dựa trên loại hợp chất vô cơ perovskite đang được tập trung nghiên cứu bởi nhiều tính chất đặc biệt như tính chất điện từ, tính chất quang, tính nhạy khí v. làm cho vật liệu trở nên hữu ích và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực như xử lý thông tin, làm các vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu, xử lý khí thải môi trường cũng như các vật liệu thông minh được ứng dụng trong y sinh. Với cấu trúc đặc biệt như trên vật liệu perovskite có nhiều tính chất thú vị. Về tính chất điện có thể là điện môi, bán dẫn hoặc kim loại.

Về tính chất từ, vật liệu này có thể là sắt từ, phản sắt từ, thủy tinh spin hoặc siêu thuận từ. Vật liệu mutiferroics sắt điện là vật liệu sở hữu đồng thời cả hai tính chất sắt từ và sắt điện trong cùng một vật liêu. Tuy nhiên hai tính chất này thường có xu hướng triệt tiêu nhau. Do đó, nhiều nghiên cứu đã và đang tổng hợp vật liệu này trong phòng thí nghiệm dựa trên vật liệu sở hữu tính sắt điện mạnh bằng cách pha tạp ion hoặc tạo composite với vật liệu sắt từ.

PbTiO3 là một trong những vật liệu sắt điện mạnh được lựa chọn. Hiện nay vật liệu mutiferroics dựa trên nền PbTiO3 chủ yếu được chia thành hai hướng cơ bản. Thứ nhất, thay thế vị trí kim loại chuyển tiếp vào vị trí Ti4+ nhằm tạo nên trật tự sắt từ đồng thời tạo nên hiệu ứng điện từ trong vật liệu. Thứ hai, tạo vật liệu composite của PbTiO3 có tính sắt từ mạnh.

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu pha tạp kim loại chuyển tiếp còn hạn chế. Hơn thế nữa, các nghiên cứu trên vật liệu PbTiO3, chỉ ra rằng vật liệu có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện nhờ hiệu ứng điện khối. Các cặp điện tử, lỗ trống không tái hợp mà di chuyển theo hai hướng khác nhau trong điện trường của vách domain sinh ra hiệu điện thế trên 2 mặt tinh thể. Tuy nhiên độ rộng của vùng cấm của vật liệu tương đối lớn (trên 3 eV), dẫn đến hiệu suất ánh sáng Mặt Trời thấp.

Do đó, sự pha tạp kim loại chuyển tiếp là cần thiết để thu hẹp độ rộng vùng cấm. Trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp đến đặc trưng cấu trúc vật liệu PbTiO3 và định hướng nghiên cứu tính chất quang cho linh kiện chuyển đổi quang – điện (photovoltaic device). 1 Dựa trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “ Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và khảo sát tính chất quang điện của PbTiO3 pha tạp một số ion kim loại chuyển tiếp”. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu PbTiO3 Một trong số các họ vật liệu đang dành được sự quan tâm nghiên cứu đặc biệt vì hứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu rất cao của khoa học và công nghệ hiện đại là vật liệu đa pha điện từ (multiferroics).

Multiferroics là tên gọi 2 những vật liệu đồng thời tồn tại cả hai trạng thái sắt điện và sắt từ trong cùng một pha vật liệu. Các vật liệu multiferroics trong tự nhiên rất hiếm, đa số các vật liệu multiferroics được biết đến hiện nay là vật liệu nhân tạo. Để tạo ra vật liệu multiferroics, cách thứ nhất là đưa các tạp chất từ tính vào mạng tinh thể của vật liệu sắt điện (cách làm này giống như cách tạo ra các chất bán dẫn từ pha loãng). Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, nhu cầu về những thiết bị, vật liệu nhỏ gọn, hiệu suất cao cho cuộc sống hiện đại ngày càng tăng, đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệu mới có những tính chất ưu việt để đáp ứng những nhu cầu đó.

PbTiO3 là vật liệu thuộc họ perovskite và nó mang những tính chất đặc trưng của vật liệu perovskite đặc biệt là tính chất điện và tính chất từ [18]. Ngày nay, tính chất quang của vật liệu perovskite cũng đã được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là các hạt nano perovskite phát quang mạnh với tiềm năng ứng dụng trong việc đánh dấu các phân tử sinh học, cảm biến sinh học, phát hiện các tế bào ung thư. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất quang học của vật liệu này đóng vai trò hết sức quan trọng. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu PbTiO3 Trong số các vật liệu có cả tính sắt điện và áp điện, các oxit có cấu trúc perovskite chiếm một số lượng lớn và đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới.

Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của CaTiO3, với công thức cấu tạo chung là ABO3, trong đó A, B là các ion dương có bán kính khác nhau, nhưng thông thường bán kính ion dương A lớn hơn so với ion dương B. Cấu trúc của perovskite là biến thể của cấu trúc lập phương với các ion dương A nằm ở đỉnh của hình lập phương, có tâm là ion dương B. Ion dương B đồng thời cũng là tâm bát diện tạo bởi các ion âm O2-. Ion O2- nằm ở trung tâm các mặt của ô đơn vị (xem hình 1.

Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác như hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thể bởi các nguyên tố khác. 3 Tùy thuộc nguyên tố B là chất nào mà sẽ có những họ khác nhau, như họ manganite khi B = Mn, họ titanate khi B = Ti hay họ cobaltite khi B = Co. Còn A thường là các nguyên tố như Bi, Pb, v. Mô hình cấu trúc Perovskite Cấu trúc tinh thể perovskite lập phương lí tưởng được thể hiện trên Hình 1.1 với cation B nằm ở vị trí tâm hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 1/2).

Cation A có bán kính lớn hơn cation B và nằm ở sáu đỉnh của hình lập phương (tọa độ (0,0,0)). Các anion O2- nằm ở các tâm mặt hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)) tạo thành một bát diện đều bao quanh cation B (vị trí đối xứng bát diện BO6) và tạo thành hình hộp 14 mặt với tám mặt tam giác và sáu mặt vuông bao quanh cation A. Tuy nhiên, các loại vật liệu perovskite là rất đa dạng và thông thường bị méo mạng không còn ở cấu trúc lập phương [9]. Ở nhiệt độ cao, PTO có cấu trúc perovskite lập phương và là một chất thuận điện.

Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha thuận điện - sắt điện (nhiệt độ chuyển pha, trật tự điện, nhiệt độ Curie TC), cấu trúc tinh thể chuyển sang pha tứ diện hoặc pha hình hộp mặt thoi (hình 1. Cấu trúc tinh thể của PTO theo nhiệt độ So với các vật liệu sắt điện khác, ví dụ như BaTiO3 thì PTO thể hiện tính áp điện và sắt điện mạnh hơn (hằng số điện môi, hằng số áp điện thuận - nghịch, độ phân cực dư, v. Do vậy, vật liệu PTO được nghiên cứu rộng rãi với các khả năng ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực. Tính chất cơ bản của vật liệu PbTiO3 Nhìn chung, tính chất vật lý của các oxit cấu trúc perovskite rất đa dạng, phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và thứ tự sắp xếp các ion dương.

Chúng có thể là kim loại, hay điện môi và thể hiện nhiều cấu trúc từ khác nhau như sắt từ, phản sắt từ, v. Các vật liệu này cũng thể hiện tính sắt điện hoặc phản sắt điện. Một điều lý thú trong các vật liệu oxit perovskite là tính chất của vật liệu có thể thay đổi đột biến do chuyển pha về cấu trúc tinh thể khi thay đổi nhiệt độ. Bên cạnh tính chất sắt điện, oxit perovskite còn thể hiện tính chất nhiệt điện trở lớn.

Bằng cách pha tạp các nguyên tố khác nhau vào các vị trí ion A và B, người ta có thể thay đổi tính chất dẫn điện của vật liệu từ chất điện môi sang bán dẫn. Ngoài ra, một số vật liệu oxit cấu trúc perovskite còn có tính siêu dẫn khi ở nhiệt độ khoảng trên 100oK. Ở trạng thái sắt từ, một số vật liệu loại này còn thể hiện hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng từ nhiệt hoặc trạng thái spin - glass ở nhiệt độ thấp (là trạng thái mà các spin sắp xếp hỗn độn và bị đóng băng bởi quá trình làm lạnh). Tính chất sắt điện PbTiO3 là chất sắt điện thể hiện tính nhiệt điện trở lớn.

Nhưng khi ta pha tạp thêm vào vật liệu này một số các ion của các kim loại chuyển tiếp thì 5 tính dẫn điện của PbTiO3 có thay đổi từ tính điện môi sang tính dẫn điện kiểu bán dẫn. Vật liệu sắt điện đã được biết đến hơn một thế kỉ nay, nhưng phải đến những năm 40, tính chất sắt điện mới được nghiên cứu đầy đủ trong cấu trúc Perovskite của PbTiO3. Việc khảo sát cấu trúc Perovskite với số lượng nhỏ các ion trong một ô cơ sở đem đến những kết quả để làm lý thuyết căn bản trong việc giải thích các hiệu ứng sắt điện [12],[3]. Tính chất từ của vật liệu PbTiO3 Vật liệu PbTiO3 được tạo thành từ các cation kim loại Pb2+, Ti4+ và anion O2- có cấu hình điện tử: Pb2+ ([Xe]4f145d106s26p2), Ti4+ ([Ar]3d04s0), O2- (1s22s22p6).

Với cấu hình lấp đầy các lớp vỏ bên trong như vậy, các ion này có moment từ bằng 0, dẫn tới việc vật liệu PTO tinh khiết không có từ tính. Khi bị từ hóa, vật liệu này thể hiện tính nghịch từ [13],[5],[16]. Tính chất quang của vật liệu PbTiO3 - Các cơ chế hấp thụ ánh sáng: Một điện tử đang ở trạng thái cơ bản nhận được một năng lượng photon thì nó sẽ chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, quá trình này được gọi là hấp thụ ánh sáng. Quá trình hấp thụ ánh sáng liên quan đến sự chuyển đổi năng lượng của photon sang các dạng năng lượng khác của tinh thể nên có thể phân thành 5 cơ chế hấp thụ ánh sáng như sau: hấp thụ cơ bản; hấp thụ riêng; hấp thụ exciton; hấp thụ do tạp chất; hấp thụ do hạt dẫn tự do; và hấp thụ do phonon.

Sơ đồ chuyển mức điện tử khi vật liệu hấp thụ ánh sáng theo 5 cơ chế này được trình bày trên Hình 1. Sơ đồ chuyển mức điện tử trong hấp thụ quang (1a) – Hấp thụ cơ bản (3), (3a), (3b), (3c), (4) – Hấp thụ do tạp chất (2a) – Hấp thụ do hạt dẫn tự do (5), (5a) – Hấp thụ exciton - Quá trình phát quang: Quá trình phát quang là một quá trình có bản chất ngược lại với quá trình hấp thụ.