Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu nano BaTiO3 tại Đại học Quốc gia Hà Nội

• Tác giả: Nguyễn Thị Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Nano Nền BaTiO3
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE SẮT ĐIỆN
• 1.1. Tổng quan về Vật liệu Perovskite sắt điện
• 1.2. Một số đặc trưng của vật liệu sắt điện
• 1.3. Vật liệu perovskite sắt điện
• 1.4. Đặc điểm của vật liệu perovskite sắt điện
• 1.5. Độ phân cực tự phát
• 1.6. Sự phân cực của perovskite sắt điện
• 1.7. Hiện tượng điện trễ - Cấu trúc đômen (domain)
• 1.7.1. Hiện tượng điện trễ
• 1.7.2. Cấu trúc đômen (domain) của vật liệu sắt điện
• 1.8. Điểm Curie và các chuyển pha trong vật liệu sắt điện
• 1.9. Hiệu ứng nhiệt điện trở dương (PTC) trong vật liệu BaTiO3 pha tạp điện tử
• 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Công nghệ chế tạo
• 2.2. Quy trình chế tạo vật liệu
• 2.2.1. Ép và nung thiêu kết
• 2.2.2. Gia công mẫu và phủ cực
• 2.3. Các phương pháp đo
• 2.3.1. Nhiễu xạ kế tia X (XRD)
• 2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng EDS
• 2.3.4. Hệ đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nhiễu xạ tia X
• 3.2. Kết quả khảo sát cấu trúc bề mặt
• 3.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ
• 3.4. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số của các mẫu
• 3.5. Thành phần hóa học (phổ EDS, PIXE và ICP-MS)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu nano BaTiO3

Vật liệu nano BaTiO3 là một trong những vật liệu perovskite được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực vật lý chất rắn. Với cấu trúc tinh thể độc đáo và tính chất điện tử vượt trội, BaTiO3 đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Vật liệu này không chỉ có hằng số điện môi cao mà còn có tính chất sắt điện mạnh mẽ, làm cho nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử và cảm biến.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu nano BaTiO3

Cấu trúc của BaTiO3 thuộc loại perovskite, với công thức hóa học ABO3, trong đó A là nguyên tố bari (Ba) và B là nguyên tố titan (Ti). Cấu trúc này cho phép BaTiO3 có độ phân cực tự phát cao, đặc biệt là khi nhiệt độ giảm xuống dưới 120°C, nơi mà nó chuyển sang các pha cấu trúc khác nhau.

1.2. Tính chất điện của vật liệu BaTiO3

BaTiO3 nổi bật với hằng số điện môi lớn, có thể đạt tới 2000 ở nhiệt độ phòng. Tính chất điện này làm cho BaTiO3 trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong tụ điện và cảm biến. Ngoài ra, vật liệu này còn có tính chất áp điện, cho phép nó chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu nano BaTiO3

Mặc dù BaTiO3 có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển vật liệu này cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc kiểm soát kích thước hạt và tính đồng nhất của vật liệu nano. Sự thay đổi trong kích thước hạt có thể ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của vật liệu.

2.1. Vấn đề kiểm soát kích thước hạt

Kích thước hạt của BaTiO3 nano có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của nó. Việc chế tạo các hạt có kích thước đồng nhất là một thách thức lớn trong quá trình tổng hợp. Các phương pháp như thủy nhiệt và sol-gel thường được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn để tối ưu hóa quy trình.

2.2. Tính đồng nhất và độ tinh khiết của vật liệu

Độ tinh khiết của vật liệu BaTiO3 cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của nó. Sự hiện diện của tạp chất có thể làm giảm hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng thực tiễn. Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và sạch sẽ là cần thiết để đảm bảo độ tinh khiết cao cho vật liệu.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano BaTiO3 hiệu quả

Để chế tạo vật liệu nano BaTiO3, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu. Trong đó, phương pháp thủy nhiệt được coi là một trong những phương pháp hiệu quả nhất nhờ vào khả năng kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng.

3.1. Phương pháp thủy nhiệt trong tổng hợp BaTiO3

Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp BaTiO3 ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, giúp tạo ra các hạt nano đồng nhất với kích thước nhỏ. Phương pháp này cũng giúp kiểm soát tốt thành phần hóa học của vật liệu, từ đó cải thiện tính chất điện của BaTiO3.

3.2. Các phương pháp khác trong tổng hợp BaTiO3

Ngoài phương pháp thủy nhiệt, các phương pháp như sol-gel, nghiền cơ học và phun sương cũng được sử dụng để tổng hợp BaTiO3. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano BaTiO3

Vật liệu nano BaTiO3 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ điện tử đến cảm biến. Sự kết hợp giữa tính chất điện và quang của BaTiO3 mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng công nghệ cao.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ điện tử

BaTiO3 được sử dụng rộng rãi trong các tụ điện gốm, đặc biệt là trong các bộ nhớ máy tính như DRAM và FRAM. Tính chất điện môi cao của BaTiO3 giúp cải thiện hiệu suất của các linh kiện điện tử, từ đó nâng cao khả năng lưu trữ và xử lý thông tin.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến

Vật liệu nano BaTiO3 cũng được sử dụng trong các cảm biến áp điện, cho phép chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Các cảm biến này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến công nghiệp, giúp phát hiện và đo lường các thông số quan trọng.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật liệu nano BaTiO3

Nghiên cứu vật liệu nano BaTiO3 đang mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu học. Với những tính chất vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng, BaTiO3 hứa hẹn sẽ tiếp tục là một trong những vật liệu quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu BaTiO3

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất của BaTiO3 thông qua các phương pháp pha tạp và tối ưu hóa quy trình tổng hợp. Điều này sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực công nghệ cao.

5.2. Tiềm năng ứng dụng mới của BaTiO3

Với sự phát triển của công nghệ, BaTiO3 có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực mới như năng lượng tái tạo và công nghệ thông tin. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu này sẽ góp phần quan trọng vào sự tiến bộ của khoa học và công nghệ trong tương lai.