Nghiên cứu tính chất từ và quang học của vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe tại vùng biên pha cấu trúc

Nghiên cứu tính chất từ và quang học của vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe tại vùng biên pha cấu trúc, mang lại ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Mai
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Đăng
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất từ và quang học của vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe tại vùng biên pha cấu trúc
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU BaTiO3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe

Nghiên cứu tính chất từ và quang học của vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu đa pha điện từ. Vật liệu BaTiO3 (BTO) là một trong những ứng viên hàng đầu cho các ứng dụng điện tử nhờ vào tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của nó. Việc pha tạp Fe vào BTO không chỉ làm thay đổi cấu trúc tinh thể mà còn ảnh hưởng đến các tính chất quang học và từ tính của vật liệu. Nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ các đặc điểm này và mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Tính chất từ của BaTiO3 pha tạp Fe

Tính chất từ của vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe đã được nghiên cứu sâu rộng. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi Fe được đưa vào mạng tinh thể của BTO, tính chất từ của vật liệu có sự thay đổi đáng kể. Đặc biệt, sự hiện diện của Fe tạo ra các trạng thái từ tính mới, làm tăng cường tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng.

1.2. Tính chất quang học của BaTiO3 pha tạp Fe

Tính chất quang học của BaTiO3 pha tạp Fe cũng rất đáng chú ý. Các nghiên cứu cho thấy rằng, vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến và hồng ngoại, với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV. Sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể do pha tạp Fe cũng ảnh hưởng đến các đặc tính quang học của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu BaTiO3 pha tạp Fe

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về BaTiO3 pha tạp Fe, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất là sự không đồng nhất trong các kết quả nghiên cứu về tính chất từ và quang học của vật liệu này. Điều này có thể do sự khác biệt trong phương pháp chế tạo và điều kiện thí nghiệm.

2.1. Sự không đồng nhất trong kết quả nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào nồng độ tạp chất và phương pháp chế tạo. Điều này dẫn đến sự không đồng nhất trong các kết quả nghiên cứu, gây khó khăn trong việc xác định các đặc tính chính xác của vật liệu.

2.2. Thách thức trong việc tối ưu hóa tính chất vật liệu

Việc tối ưu hóa tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe là một thách thức lớn. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để xác định các điều kiện tối ưu cho việc pha tạp và chế tạo vật liệu, nhằm đạt được các tính chất mong muốn cho các ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe

Để nghiên cứu tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe, nhiều phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm chế tạo mẫu, phân tích cấu trúc và khảo sát tính chất vật liệu. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu BaTiO3 pha tạp Fe

Mẫu BaTiO3 pha tạp Fe được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt nồng độ tạp chất và cấu trúc tinh thể của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất từ và quang học của mẫu.

3.2. Phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất

Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán sắc năng lượng (EDS) được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần hóa học của mẫu. Những phương pháp này giúp đánh giá chính xác các đặc tính của BaTiO3 pha tạp Fe.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe

Kết quả nghiên cứu cho thấy BaTiO3 pha tạp Fe có tính chất từ và quang học đáng chú ý. Sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác đã được xác định, cùng với sự gia tăng tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử.

4.1. Sự chuyển pha cấu trúc của BaTiO3 pha tạp Fe

Nghiên cứu cho thấy rằng, khi nồng độ Fe tăng, cấu trúc của BaTiO3 chuyển từ tứ giác sang lục giác. Điều này có ảnh hưởng lớn đến các tính chất từ và quang học của vật liệu, tạo ra các đặc tính mới.

4.2. Tính chất sắt điện và sắt từ của BaTiO3 pha tạp Fe

Tính chất sắt điện và sắt từ của BaTiO3 pha tạp Fe đã được xác định rõ ràng. Các mẫu cho thấy độ phân cực và từ độ cao, cho thấy khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

V. Ứng dụng thực tiễn của BaTiO3 pha tạp Fe trong công nghệ

BaTiO3 pha tạp Fe có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại. Với tính chất điện từ độc đáo, vật liệu này có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến và các linh kiện điện tử khác. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ cao.

5.1. Ứng dụng trong thiết bị lưu trữ dữ liệu

Vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe có thể được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu như FeRAMs và MRAMs. Tính chất sắt điện và sắt từ của vật liệu giúp cải thiện hiệu suất và khả năng lưu trữ thông tin.

5.2. Ứng dụng trong cảm biến và linh kiện điện tử

Với tính chất quang học và từ tính độc đáo, BaTiO3 pha tạp Fe có thể được ứng dụng trong các cảm biến và linh kiện điện tử. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ mới.

VI. Kết luận và tương lai của nghiên cứu BaTiO3 pha tạp Fe

Nghiên cứu tính chất từ và quang học của BaTiO3 pha tạp Fe đã chỉ ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn để hiểu rõ hơn về các đặc tính của vật liệu này. Tương lai của nghiên cứu BaTiO3 pha tạp Fe hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong lĩnh vực vật liệu điện tử.

6.1. Tương lai của nghiên cứu BaTiO3 pha tạp Fe

Nghiên cứu BaTiO3 pha tạp Fe sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu tìm hiểu sâu hơn về các tính chất từ và quang học của vật liệu. Các nghiên cứu này có thể dẫn đến những phát hiện mới và ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc tối ưu hóa nồng độ tạp chất, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến tính chất của vật liệu, và phát triển các phương pháp chế tạo mới để cải thiện tính chất của BaTiO3 pha tạp Fe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm. - Chương 3: Kết quả và thảo luận. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BaTiO3 Hình 1.1: Cấu trúc ô mạng perovskite lý tưởng BaTiO3 (BTO) là một vật liệu thuộc họ perovskite (ABO3), tại nhiệt độ lớn hơn 1200C, BTO có cấu trúc perovskite lý tưởng như được mô tả trong Hình 1.1, với Ba2+ ở vị trí A nằm tại đỉnh hình lập phương, vị trí B là Ti4+ nằm tại tâm, còn các ion oxi nằm trên các mặt hình lập phương.2: Quá trình chuyển pha cấu trúc và nhiệt độ chuyển pha của vật liệu BaTiO3 [1].

Phụ thuộc vào nhiệt độ mà vật liệu BTO có thể tồn tại ở các cấu trúc khác nhau. Các kiểu cấu trúc tinh thể của BTO được mô tả trên Hình 1.2, cụ 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thể là: trên 1460 0C vật liệu có cấu trúc hexagonal (lục giác); dưới 1460 0C là cấu trúc cubic (lập phương); tại nhiệt độ 120 0C, là chuyển pha cấu trúc lập phương - tứ giác đi kèm với chuyển pha sắt điện - thuận điện; ở dưới 5 0C vật liệu có cấu trúc Orthorhombic (đơn nghiêng); ở nhiệt độ thấp hơn nữa (- 90 0C) vật liệu có cấu trúc Rhombohedral (mặt thoi). Một số tính chất điển hình của vật liệu BaTiO3 1. Tính chất điện môi của vật liệu BaTiO3 Hằng số điện môi của BaTiO3 phụ thuộc mạnh vào phương pháp chế tạo (độ tinh khiết, mật độ, kích thước hạt.), tần số, nhiệt độ và tạp chất.

nên giá trị của hằng số điện môi hiện được công bố rất phân tán với nhiều giá trị khác nhau.3 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ và tần số của hằng số điện môi của vật liệu BTO. Phần thực của hằng số điện môi và tổn hao điện môi phụ thuộc nhiệt độ và tần số của BaTiO 3[18]. Một số đặc trưng cơ bản khi khảo sát hằng số điện môi của vật liệu BTO là: - Ở nhiệt độ phòng hằng số điện môi giảm mạnh trong vùng tần số thấp (dưới 1 kHz) và gần như không đổi ở tần số cao. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Hằng số điện môi phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, hằng số điện môi của vật liệu giảm.

- Hằng số điện môi cũng phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt. Hằng số điện môi tăng lên khi kích thước hạt giảm. So với vật liệu khối có cùng kích thước hạt trung bình thì màng mỏng BaTiO3 có hằng số điện môi thấp hơn rõ rệt (Hình 1. - Hằng số điện môi của vật liệu cũng phụ thuộc mạnh vào các tạp chất và nồng độ được thay thế.

Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ của BaTiO 3. Tính chất sắt điện và sắt từ của vật liệu BaTiO3 Sự thay đổi của độ phân cực tự phát theo nhiệt độ của vật liệu BTO được chỉ ra trên Hình 1. Sự thay đổi của đường trễ sắt điện của BTO theo nhiệt độ có dạng như Hình 1. Theo đó thì ở nhiệt độ thấp, vòng trễ trở lên mở rộng, lực kháng điện lớn hơn tương ứng với một năng lượng lớn hơn để định hướng lại các vách đômen, đó là cấu hình miền đóng băng.

Khi nhiệt độ tăng lực kháng điện giảm, đến nhiệt độ TC đường trễ gần như không còn và chỉ có một giá trị của hằng số điện môi. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Độ phân cực (C/cm2) Nhiệt độ (K) Hình 1. Sự biến thiên của độ phân cực tự phát theo nhiệt độ của BTO [19] Hình 1. Sự thay đổi của đường trễ sắt điện của BTO theo nhiệt độ [19].

Cho đến nay, tính chất sắt điện tốt nhất thu được trên đơn tinh thể BTO với độ phân cực đạt khoảng 30 µC/cm2 (Hình nhỏ của Hình 1. Gần đây, Choi và cộng sự [20] đã đưa ra phương pháp để nâng cao rõ rệt tính chất sắt điện của BaTiO3 bằng cách tạo màng mỏng BaTiO3 trên đế đất hiếm. Họ đã chứng minh rằng có thể nâng nhiệt độ TC của vật liệu lên gần 500 oC và độ phân cực có thể tăng gần 250 % so với giá trị thu được trên đơn tinh thể BTO (Hình 1. Các giá trị thu được của [20] có thể so sánh với các giá trị tương tự thu được trên vật liệu Pb(ZrxTi1-x)O3 và mở ra khả năng thay thế các vật liệu sắt điện độc hại có chứa Pb trong tương lai gần.

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đường trễ sắt điện của màng mỏng BTO trên đế DySeO3 và GdSeO3. Hình nhỏ bên trái là đường trễ sắt điện của đơn tinh thể BTO để so sánh [20]. Đường cong từ trễ và điện trễ của hạt BaTiO 3 với kích thước 40 nm và 300 nm ở nhiệt độ phòng [21] Ngoài tính chất sắt điện, gần đây nhiều nghiên cứu đã thu được giá trị từ độ khá lớn và đặc trưng sắt từ ở nhiệt độ phòng trên vật liệu nano BTO bằng cách tạo ra sự khuyết thiếu ôxy trong mẫu [1].

Mangalam và các cộng sự [21] đã tiến hành phép đo đường cong từ hóa và điện trễ của các hạt 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] BaTiO3 có kích thước từ 40 nm đến 300 nm ở nhiệt độ phòng (Hình 1. Kết quả cho thấy các mẫu có tồn tại tính sắt điện và sắt từ. Lực kháng từ tăng từ 95 Oe tới 435 Oe còn từ độ giảm từ 0,0025 xuống 0,0012 emu/g ứng với sự tăng kích thước hạt và mất chu trình trễ khi mẫu có kích thước 300 nm. Nó thể hiện trạng thái nghịch từ ở nhiệt độ phòng như (Hình 1.8b), các tác giả cho rằng nguồn gốc của sắt từ là do sự khuyết oxi ở bề mặt.

Kết quả cũng cho thấy tính sắt điện biến mất khi kích thước hạt nhỏ hơn 40 nm. Một số đặc trưng quang học của vật liệu BaTiO3 Ngoài tính chất có hằng số điện môi lớn, tính sắt điện, áp điện mạnh, vật liệu BTO cũng thể hiện các đặc trưng quang học rất thú vị.9a trình bày phổ hấp thụ của vật liệu BTO [8] cho thấy bờ hấp thụ của mẫu BTO tinh khiết tại gần 380 nm ứng với độ rộng vùng cấm cỡ 3,2 eV. Theo đó, đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị được ngăn cách bởi một vùng cấm rộng khoảng 3,2 eV và vật liệu là một chất cách điện (Hình 9b). Một số trạng thái tạp chất có thể được tạo ra bởi tạp chất hoặc các nút khuyết oxy (V O) trong tinh thể.

Chúng thể hiện như những bẫy điện tử (chẳng hạn như VO-e; VO-2e hoặc Ti3+). Các tâm này tạo ra các mức donor trong vùng cấm và tồn tại ngay dưới đáy của vùng dẫn.y) thụ thụ Trạng Thái hấphấp (a) tạp chất Độ Độ (b) Bước Bước sóng sóng (nm) (nm) Hình 1. Phổ hấp thụ của mẫu BTO, Hình (a) +1.BTO Phổ wt.% hấp thụ Fe2Ocủa 3 vàmẫu của BTO, BTO +1.% Fe 2O3 và của Fe2O32. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Một công bố gần đây đã gây được sự chú ý đặc biệt của nhóm Shubin Qin [9] khi họ đã quan sát thấy hiệu ứng đổi màu từ màu vàng nhạt sang màu nâu sẫm sau khi chiếu tia UV lên vật liệu nano BTO.

Ngoài ra, họ còn cho thấy bức xạ UV có thể nâng cao đáng kể tính sắt từ của vật liệu nano BTO thông qua việc tạo ra nhiều khuyết tật mạng tinh thể (Hình 1. Đây là công bố đầu tiên quan sát thấy tính chất sắt từ trong vật liệu BTO được tăng cường bởi bức xạ UV [9]. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng và mở ra khả năng chế tạo vật liệu tích hợp cả tính chất điện, từ và quang. Tính sắt từ của vật liệu nano BTO tăng mạnh, sau khi chiếu bức xạ UV.

Hình nhỏ là đường trễ sắt từ của vật liệu BTO dạng khối [9]. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe 1. Sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác của vật liệu BaTi 1- xFexO3. Sự chuyển pha cấu trúc tinh thể từ tứ giác sang lục giác của vật liệu BaTi1-xFexO3 đã được [1,6,7] nghiên cứu chi tiết.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi chưa pha tạp Fe, vật liệu BTO có cấu trúc tứ giác với nhóm không gian: P4mm. Khi Fe thay thế một phần cho Ti, có sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác ở nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X minh họa sự 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] chuyển pha đó được thể hiện trên Hình 1. Cụ thể là: khi Fe thay thế cho Ti với tỷ lệ x = 0,02 thì pha lục giác (h-BTO) bắt đầu hình thành.

Sau đó cấu trúc t-BTO giảm mạnh trong khoảng 0,02  x  0,08. Cấu trúc tứ giác (t- BTO) có vẻ vẫn chưa chuyển hoàn toàn thành cấu trúc h-BTO khi x < 0,12. Tuy nhiên, khi x  0,08 tỷ phần pha t-BTO tồn tại trong mẫu là rất nhỏ còn tỷ phần pha h-BTO chiếm đa số. Tỷ phần giữa hai pha cấu trúc khi 0,08  x  0,12 gần như ổn định ( 8% cho cấu trúc t-BTO và  92% đối với pha h- BTO, xem Bảng 1.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu BaTi 1-xFexO3 (0 ≤ x ≤ 0. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tỷ lệ hai pha cấu trúc t-BTO và h-BTO trong 100 100 vật liệu BaTi 1-xFexO3 [1] x Tetra.12 0,05 29,75 70,25 Nồng Fe độcontent, thay thế, x x 0,06 25,57 74,43 0,07 17,80 82,20 Hình 1. Tỷ lệ hai pha cấu trúc của vật 0,08 8,61 91,4 liệu BaTi1-xFexO3 thay đổi theo nồng độ 0,09 8,50 91,5 thay thế Fe (x)[1].

Tính chất sắt điện, sắt từ của vật liệu BaTi1-xFexO3. Gần đây, tính chất đồng tồn tại cả tính sắt từ và sắt điện ở nhiệt độ phòng trong vật liệu BTO pha tạp Fe được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm [6,7,14,16]. Khởi đầu cho hướng nghiên cứu này là năm 2009, khi Xu [22] công bố kết quả nghiên cứu tính chất sắt điện và sắt từ của mẫu gốm BaTiO3 pha tạp Fe có công thức là BaTi0. Kết quả chỉ ra rằng, độ phân cực bão hòa tại điện trường 125 kV/cm lên đến 22 C/cm2, độ phân cực dư Pr của mẫu là 11,1 C/cm2 và lực kháng điện Ec khoảng 37 kV/cm.

Kết quả đo đường cong từ hóa M(T) trong từ trường 1 Tesla cho thấy mẫu thể hiện đặc tính sắt từ khá mạnh, nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (TFM) khoảng 680 K (Hình 1. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. (a) Đường trễ sắt điện; (b)Từ độ phụ thuộc nhiệt độ của mẫu gốm BaTi0.