Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến một số tính chất quang, điện của hệ gốm BNKT

Hệ gốm sắt điện không chì Bi0,5(Na0,82K0,18)0.5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt là BNKT-xNb), với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, đã được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống. Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến vi cấu trúc và một số tính chất quang, điện của hệ gốm đã được nghiên cứu chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến một số tính chất quang, điện của hệ gốm BNKT TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số 1 (2020) ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ Nb ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG, ĐIỆN CỦA HỆ GỐM BNKT Phan Đình Giớ*, Lê Thị Ánh Nhạn Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: pdg_55@yahoo.com Ngày nhận bài: 8/8/2019; ngày hoàn thành phản biện: 8/8/2019; ngày duyệt đăng: 20/12/2019 TÓM TẮT Hệ gốm sắt điện không chì Bi0,5(Na0,82K0,18)0.5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt là BNKT-xNb), với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, đã được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống. Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến vi cấu trúc và một số tính chất quang, điện của hệ gốm đã được nghiên cứu chi tiết. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi gia tăng nồng độ Nb, mật độ gốm gia tăng và đạt giá trị cao nhất (5,92 g/cm3) tại nồng độ x = 0,02 mol, bên cạnh đó, kích thước hạt giảm, vi cấu trúc đồng đều, các hạt xếp chặt. Tương ứng vi cấu trúc dày đặc với các hạt nhỏ mịn, độ truyền qua quang học của mẫu gốm có nồng độ x = 0,02 mol đạt giá trị cao nhất trên 41% ứng với bước sóng 790 nm và 36% ứng với bước sóng 680nm và có độ rộng vùng năng lượng cấm lớn nhất (Eg = 2,78 eV). Nhiệt độ khử phân cực Td và nhiệt độ Curie TC tăng tương ứng từ 65oC đến 145oC và từ 187oC đến 234oC khi nồng độ Nb gia tăng. Gốm thể hiện đặc trưng của một sắt điện relaxor. Từ khóa: Vi cấu trúc, tính chất quang, điện môi, sắt điện, BNKT. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm qua, vật liệu sắt điện, áp điện trên cơ sở Chì Zirconat Titanat Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền động, sóng âm bề mặt, bộ chuyển đổi, cảm biến, bộ lọc quang học, bộ điều biến và hiển thị do các tính chất điện và quang tuyệt vời của chúng [1_4]. Tuy nhiên, cùng với sự thành công của gốm áp điện PZT thì ngày càng có nhiều chì (Pb), ở dạng oxit chì hoặc chì thải vào môi trường. Điều này xảy ra trong quá trình nung sơ bộ và thiêu kết, trong khi gia công thô các thành phần và sau khi sử dụng do việc tái chế và xử lý chất thải. Do đó, vấn đề cấp thiết mang tính thời sự trên thế giới hiện nay là cần nghiên cứu, tìm kiếm các hệ gốm áp điện không chứa chì để thay thế hệ gốm trên cơ sở PZT trên phương diện nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng của chúng. 17 Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến một số tính chất quang, điện của hệ gốm BNKT Rất nhiều công trình nghiên cứu về gốm áp điện không chì đã được thực hiện trong những năm gần đây như hệ gốm áp điện trên nền BaTiO3 [5], Bi(K,Na)TiO3 (BNKT) [6_9], (K,Na)NbO3 (KNN) [10]. Trong đó nổi bật là hệ gốm không chì Bimust Kali Natri Titanate Bi(K,Na)TiO3 (BNKT) đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu. BNKT là sự kết hợp của hai thành phần: (Bi0,5K0,5)TiO3 (BKT) có cấu trúc tứ giác và thành phần (Bi0,5Na0,5)TiO3 (BNT) có cấu trục mặt thoi. Ưu điểm của hệ gốm BNKT là có nhiệt độ Curie cao (330oC), các tính chất điện môi (εmax ~ 3300), áp điện khá tốt tại biên pha hình thái học 0,16 ≤ x ≤ 0,20 [11]. Nhưng hệ gốm này có một số nhược điểm như thành phần Bi trong h n hợp BNKT d bay hơi khi nung ở nhiệt độ thiêu kết cao làm giảm đi tính chất của gốm; các muối K, Na có tính hút ẩm mạnh nên trong quá trình chế tạo gặp nhiều khó khăn và làm ảnh hưởng đến tính hợp thức của gốm. Ngoài ra thành phần BNT sở hữu một dòng điện rò lớn tại trường điện kháng Ec = 73 kV/cm, do vậy tính chất sắt điện của hệ [Bi0,5(Na1- x,Kx)0,5]TiO3 vẫn chưa tốt. Nhằm mục đích cải tiến tính chất điện môi, sắt điện, áp điện của hệ vật liệu này, hệ gốm BNKT thường được biến tính bằng cách pha thêm một số tạp như Li, La, Nb, Sb v.v. vào vị trí A hoặc B của cấu trúc perovskit ABO3 [7_ 9]. Như đã đề cập ở trên, mặc dù hiện nay hệ gốm sắt điện BNKT đang được tập trung nghiên cứu nhiều, nhưng đa phần chỉ nghiên cứu về các tính chất điện [7_ 9, 11], còn tính chất quang của vật liệu ít được đề cập. Các loại gốm sắt điện không chì trong suốt là loại vật liệu chức năng mới thân thiện với môi trường, có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực quang điện tử, phát hiện hồng ngoại, laser và lưu trữ quang học [12, 13]. Do vậy đây là một lĩnh vực mới hết sức hấp dẫn, tuy nhiên hiện nay ở trong nước hầu như chưa có công trình nghiên cứu chi tiết liên quan đến tính chất quang của vật liệu gốm sắt điện trên nền BNKT. Trong bài báo này chúng tôi trình bày một số kết qủa về chế tạo, nghiên cứu vi cấu trúc và một số tính chất quang, điện của hệ vật liệu gốm Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5(Ti1- xNbx)O3 2. THỰC NGHIỆM Các mẫu gốm được chế tạo có công thức hoá học là Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt BNKT_ xNb), ...