Ảnh hưởng của sự thay thế Fe cho Ti lên cấu trúc và tính chất điện từ của BaTiO3

Hệ vật liệu BaTi1-xFexO3 (x = 0,0 ÷ 0,03) đã được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Mặc dù Fe được thay thế một phần rất nhỏ cho Ti trong cấu trúc BaTiO3 nhưng đã ảnh hưởng mạnh lên cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ Raman và các tính chất điện, từ của hợp chất này. Kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể của hệ chuyển từ tứ giác sang lục giác ngay ở nhiệt độ phòng. Phổ tán xạ Raman của hệ thay đổi và xuất hiện một đỉnh mới gần 640 cm-1 khi hàm lượng Fe thay thế khoảng 2% cho Ti.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của sự thay thế Fe cho Ti lên cấu trúc và tính chất điện từ của BaTiO3 Nguyễn Văn Đăng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 39 - 44 ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ THAY THẾ Fe CHO Ti LÊN CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA BaTiO3 Nguyễn Văn Đăng1*, Nguyễn Khắc Hùng1, Ngô Thị Lan1, Vũ Đình Lãm2 và Lê Văn Hồng2 1 Trường Đại học Khoa học, ĐH Thái Nguyên Viện Khoa học vật liệu, Viện KH&CN Việt Nam 2 TÓM TẮT Hệ vật liệu BaTi1-xFexO3 (x = 0,0 ÷ 0,03) đã đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. Mặc dù Fe đƣợc thay thế một phần rất nhỏ cho Ti trong cấu trúc BaTiO3 nhƣng đã ảnh hƣởng mạnh lên cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ Raman và các tính chất điện, từ của hợp chất này. Kết quả cho thấy cấu trúc tinh thể của hệ chuyển từ tứ giác sang lục giác ngay ở nhiệt độ phòng. Phổ tán xạ Raman của hệ thay đổi và xuất hiện một đỉnh mới gần 640 cm-1 khi hàm lƣợng Fe thay thế khoảng 2% cho Ti. Hàm lƣợng Fe3+ tăng làm cho bề rộng dải cấm giảm còn độ dẫn và từ tính của hệ tăng. Mối liên hệ giữa cấu trúc, tính chất quang, điện và từ cũng đƣợc thảo luận trong báo cáo này. Từ khoá: BaTi1-xFexO3, sắt điện, sắt từ, nhiễu xạ tia X, phổ Raman, phổ hấp thụ, multiferroic MỞ ĐẦU Với cấu trúc perovskite đặc trƣng (ABO3), vật liệu BaTiO3 chứa đựng nhiều tính chất lý thú về tính sắt điện (điện môi, áp điện...) và đã đƣợc đƣa vào ứng dụng trong một số thiết bị của nhiều ngành kỹ thuật [1-3,10]. Gần đây, có nhiều công trình nghiên cứu xét tới việc pha tạp các nguyên tố vào vị trí của Ba hoặc Ti, làm cho tính chất của vật liệu đa dạng và thú vị hơn rất nhiều. Khi pha tạp các nguyên tố có từ tính nhƣ Fe, Mn, Ni…vào vị trí của Ti khi đó trong vật liệu đồng tồn tại hai phân cực điện và phân cực từ, nghĩa là vật liệu đồng biểu hiện cả tính chất sắt từ và sắt điện [3,11,12]. Đây là một hƣớng nghiên cứu hiện thu hút sự chú ý của các nhà khoa học cả trong nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trong các thiết bị hiện đại nhƣ: khả năng thu nhỏ linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc độ hoạt động và mở ra khả năng chế tạo các linh kiện tổ hợp nhiều chức năng trên cùng một chip. Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày ảnh hƣởng của sự pha tạp Fe lên sự chuyển pha cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ của vật liệu BaTiO3. THỰC NGHIỆM* Các mẫu gốm Ba(Ti1-xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03) đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng pha * Email: nvdangsptn@yahoo.com rắn với nhiệt độ nung thiêu kết là 1300oC trong 5 giờ. Độ sạch pha và cấu trúc tinh thể của mẫu đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X trên nhiễu xạ kế SIEMENS D5000. Các phép đo tán xạ Raman đƣợc thực hiện trên hệ Micro Raman LABRAM 1B với đầu thu CCD trong vùng 100 ÷ 1000 cm-1 ở nhiệt độ phòng. Tính chất quang đƣợc khảo sát thông qua phép đo phổ hấp thụ trong vùng bƣớc sóng từ 200 đến 1200 nm trên hệ Jasco 670 UV. Phần thực của hằng số điện môi đƣợc đo ở nhiệt độ phòng trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 1.3 MHz trên hệ HP4192A. Đƣờng từ trễ đƣợc đo theo nguyên lý từ kế mẫu rung (VSM) trong từ trƣờng 1 Tesla trên hệ PPMS-6000 của hãng Quantum Design. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu đƣợc trình bày trên hình 1. Kết quả cho thấy các mẫu hoàn toàn sạch pha và có cấu trúc đa tinh thể. Với hàm lƣợng Fe thay thế x = 0.00 ÷ 0.01 vật liệu có cấu trúc tứ giác (tetragonal), còn các mẫu với x = 0.02 và 0.03 biểu hiện sự đồng tồn tại cả hai loại cấu trúc tứ giác và lục giác (hexagonal). Mẫu có x = 0.02 cấu trúc lục giác đã bắt đầu hình thành nhƣng chiếm tỷ lệ nhỏ, cấu trúc tứ giác vẫn chiếm tỷ lệ rất lớn. Sự chuyển cấu trúc của hệ đƣợc thể hiện rất rõ trên phổ nhiễu xạ tia X, các vạch nhiễu xạ chính của các mẫu với x = 0.00 ÷ 0.01 tại 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nguyễn Văn Đăng và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ các vị trí góc 2 bằng 31.50; 38.80…là các vạch đơn trong khi các vạch ở vị trí tƣơng ứng đối với các mẫu có x = 0.02 ÷ 0.03 lại là các vạch kép. Đồng thời tại x = 0.02 bắt đầu xuất hiện các vạch đặc trƣng của cấu trúc lục giác tại các vị trí góc 2 bằng 26.20; 41.20; 49.10 … ▼: ▼ Hexagonal ▼ 0.03 0.02 0.01 0.005 Cƣờng độ (đ.v.t.y) 0.0 40 ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ 42 ▼ ▼ ▼ 44 46 48 50 78(02): 39 - 44 [1,5-8,10,12,], ở đó nguyên nhân của các mode dao động đã đƣợc giải thích chi tiết. Cụ thể là: Peak 1: ở khoảng 180 cm-1 [E(TO), E(LO)]. Peak 2: ở khoảng 260 cm-1 [A1(TO)], mode này do dao động của bát diện oxy [17] nên nó rất nhạy với ứng suất trong mẫu, khi ứng suất tăng thì cƣờng độ đỉnh này giảm mạnh [18]. Peak 3: ở khoảng 305 cm-1 [B1, E(TO3+LO3)]. Peak 4: ở khoảng 519 cm-1 [E(TO4), A1(TO4)], đây là một đỉnh có cƣờng độ mạnh và rộng (mode E(TO4) đƣợc coi là mode giãn do sự thay đổi chiều dài liên kết Ti-O). Peak 6: ở khoảng 719 cm-1(E(LO4), A1(LO4)). ▼ ▼ 0.03 0.02 0.03 0.005 0.0 24 32 40 48 56 64 72 Góc 2 Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Ba(Ti1-xFex)O3 (0 ≤ x ≤ 0.03) Quan sát trên giản đồ nhiễu xạ tia X còn cho thấy khi nồng độ Fe tăng các đỉnh phổ có xu h ...