Cấu trúc tinh thể, tính chất sắt điện và sắt từ của vật liệu Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni)

Vật liệu BiFeO3 và Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni) được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Cấu trúc tinh thể, tính chất sắt điện và sắt từ của hệ vật liệu được khảo sát bằng các kỹ thuật khác nhau như: Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng (EDS), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), chu trình điện trễ (P-E) và chu trình từ trễ (M-H).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc tinh thể, tính chất sắt điện và sắt từ của vật liệu Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni)Vật lý & Khoa học vật liệu CẤU TRÚC TINH THỂ, TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN VÀ SẮT TỪ CỦA VẬT LIỆU Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni) Đào Việt Thắng1,*, Lê Thị Mai Oanh2, Lâm Thị Hằng3, Đỗ Danh Bích2, Nguyễn Mạnh Hùng1, Dư Thị Xuân Thảo1 Tóm tắt: Vật liệu BiFeO3 và Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni) được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Cấu trúc tinh thể, tính chất sắt điện và sắt từ của hệ vật liệu được khảo sát bằng các kỹ thuật khác nhau như: Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng (EDS), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), chu trình điện trễ (P-E) và chu trình từ trễ (M-H). Từ kết quả đo XRD cho thấy hệ vật liệu BiFeO3 và Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 kết tinh trong cấu trúc rhombohedral thuộc nhóm không gian R3C. Vật liệu BiFeO3 có hằng số mạng tinh thể a = 5,583Å, c = 13,870Å, vật liệu Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 có hằng số mạng tinh thể a và c nhỏ hơn so với hằng số mạng tinh thể a và c của vật liệu BiFeO3. Vật liệu BiFeO3 thể hiện tính chất sắt từ yếu với Ms = 0,060emu/g, Mr = 0,018emu/g, tính chất sắt điện với Ps = 1,03µC/cm2, Pr = 0,61µC/cm2. Tính chất sắt điện và sắt từ của Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 được cải thiện hơn so với vật liệu BiFeO3. Nguồn gốc của tính chất sắt điện, sắt từ của vật liệu cũng được thảo luận trong bài báo này.Từ khóa: Cấu trúc tinh thể; Tính chất sắt điện; Tính chất sắt từ; Nd-Mn; Nd-Co; Nd-Ni. 1. MỞ ĐẦU Vật liệu BiFeO3 là một trong số rất ít vật liệu đa pha điện từ tồn tại trong tự nhiên.BiFeO3 kết tinh trong cấu trúc rhombohedral thuộc nhóm không gian R3C tồn tại đồng thờitrật tự sắt điện với nhiệt độ Curie TC = 1103K và phản sắt từ với nhiệt độ Néel TN = 643K[1-3]. Nhờ vậy, vật liệu có thể được dùng để chế tạo các thiết bị điện tử như: cảm biến, bộnhớ, thiết bị đọc và ghi từ. Nghiên cứu trước đây cho thấy tính chất từ của vật liệu cónguồn gốc từ tương tác trao đổi Dzyaloshinskii-Moriya (D-M) và tương tác siêu trao đổiFe-O-Fe [4, 5]. Các tính toán lý thuyết cho thấy trật tự sắt điện, sắt từ trong các vật liệu đapha điện từ luôn có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau, trật tự sắt điện đòi hỏi orbital d của ionkim loại chuyển tiếp còn trống trong khi trật tự sắt từ của vật liệu lại yêu cầu sự lấp đầykhông hoàn toàn của orbital d trong ion kim loại chuyển tiếp [6, 7]. Đối với vật liệuBiFeO3 sự hoạt động của các electron lẻ cặp (kết quả của sự lai giữa orbital 6s của ion Bi3+và 2p của ion O2-) và sự lệch khỏi tâm bát diện FeO6 của ion Fe3+ là các nguyên nhân tạonên trật tự sắt điện của vật liệu. Tuy nhiên, do các sai hỏng bên trong của vật liệu BiFeO3dẫn tới dòng rò lớn, độ phân cực điện của vật liệu nhỏ. Vì vậy, các nghiên cứu trên nền vậtliệu BiFeO3 tập trung vào việc cải thiện tính chất sắt điện, sắt từ của vật liệu. Các nghiêncứu trước đây đã chỉ ra tính chất sắt từ của vật liệu được cải thiện bằng cách pha tạp ionđất hiếm (Ho3+, Eu3+, Sm3+, Dy3+, Nd3+) vào vị trí của ion Bi3+ [8-10], tính chất sắt điệncủa vật liệu BiFeO3 được cải thiện bằng cách pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp (Ni2+,Co2+, Cu2+, Mn3+, Cr3+) vào vị trí của ion Fe3+ [11]. Pha tạp đồng thời ion đất hiếm và ionkim loại chuyển tiếp vào mạng chủ BiFeO3 là cách có thể cải thiện được cả tính chất sắtđiện và sắt từ của vật liệu [12, 13]. Trong báo cáo này, chúng tôi nghiên cứu về cấu trúc tinh thể, tính chất sắt điện và sắttừ của vật liệu BiFeO3 và Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni). 2. THỰC NGHIỆM2.1. Chuẩn bị mẫu Vật liệu BiFeO3 và Bi0,9Nd0,1Fe0,98TM0,02O3 (TM = Co, Mn, Ni) được chế tạo bằngphương pháp sol-gel. Các tiền chất được sử dụng bao gồm Bi(NO3)3.5H2O,198 Đ. V. Thắng, …, D. T. X. Thảo, “Cấu trúc tinh thể, tính chất … (TM = Co, Mn, Ni).”Nghiên cứu khoa học công nghệFe(NO3)3.9H2O, Nd(NO3).6H2O, Co(NO3)2.6H2O, Mn(NO3)2.4H2O, Ni(NO3)2.6H2O,ethylene glycol và axít citric. Đầu tiên, các muối nitrate được cân theo đúng tỉ phần về khối lượng rồi hòa vào 15mlnước tinh khiết và khuấy đều trong khoảng thời gian 30 phút thu được hỗn hợp A. Sau đó,nhỏ từ từ 35ml dung dịch axít citric và ethylene glycol (với tỉ lệ thể tích axít citric/ethyleneglycol là 7/3) vào hỗn hợp A thu được hỗn hợp B. Giữ nhiệt độ của hỗn hợp B ở nhiệt độkhoảng 50 ÷ 60°C và khuấy đều hỗn hợp trong khoảng thời gian 1 giờ thu được dung dịchsol. Bước tiếp theo, nhiệt độ của dung dịch sol được tăng lên 100°C và giữ cho nhiệt độkhông đổi trong thời gian 2 giờ để nước bay hơi sẽ thu được gel ướt. Gel ướt được đưa vàotủ sấy và giữ nhiệt độ ở khoảng 120°C trong thời gian 5 giờ sẽ thu được gel khô. Cuốicùng, gel khô được ủ ở nhiệt độ 800°C trong thời gian 7 giờ thu được vật liệu dạng bột.Các mẫu được kí hiệu như sau: BiFeO3 (BFO), Bi0,9Nd0,1Fe0,98Co0,02O3 (Nd ...