Cấu trúc và tính chất áp điện của hệ vật liệu BaTi0, 8Zr0, 2O3-Ba1-yCayTiO3 (y = 15; 20; 25; 28; 28,8; 29,2; 29,6; 30; 30,4; 35)

Vật liệu áp điện không chứa chì BZT-BCT được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy khi nồng độ Ca thay thế cho Ba tăng có sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang mặt thoi. Bài viết tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Ca thay thế cho Ba lên cấu trúc và tính chất áp điện của hệ vật liệu áp điện không chứa chì BZT-BCT.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc và tính chất áp điện của hệ vật liệu BaTi0, 8Zr0, 2O3-Ba1-yCayTiO3 (y = 15; 20; 25; 28; 28,8; 29,2; 29,6; 30; 30,4; 35) Chu Thị Anh Xuân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 188(12/2): 39 - 42 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN CỦA HỆ VẬT LIỆU BaTi0,8Zr0,2O3-Ba1-yCayTiO3 (y = 15; 20; 25; 28; 28,8; 29,2; 29,6; 30; 30,4; 35) Chu Thị Anh Xuân*, Nguyễn Văn Khiển Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Vật liệu áp điện không chứa chì BZT-BCT được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy khi nồng độ Ca thay thế cho Ba tăng có sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang mặt thoi. Đặc biệt tại nồng độ Ca thay thế cho Ba 14,8%, vật liệu xuất hiện biên pha hình thái (đồng tồn tại ba pha cấu trúc): tứ giác, trực thoi và mặt thoi. Qua các phép đo phổ tổng trở và dựa vào các tiêu chuẩn áp điện 61 và 87 chúng tôi đã tính được các thông số áp điện. Hệ số áp điện của hệ vật liệu thu được là khá lớn, đặc biệt d33 đạt giá trị lên đến 543 pC/N ứng với nồng độ Ca thay thế cho Ba 14,8%. Qua đó cho thấy mối liên hệ giữa biên pha hình thái với hệ số áp điện lớn của hệ vật liệu áp điện. Từ khóa: BZT-BCT, Cấu trúc tinh thể, biên pha, tính chất áp điện, chuyển pha cấu trúc MỞ ĐẦU* Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra được một điện thế tương ứng với sự biến đổi ứng suất cơ học. Mặc dù được phát hiện ra từ năm 1880 nhưng mãi đến những năm 1950 vật liệu này mới được ứng dụng rộng rãi. Trong suốt nửa thập kỷ vừa qua, vật liệu gốm PbZr1xTixO3(PZT) được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh được rằng nó có hệ số áp điện tương đối lớn (d33 = 220 ÷ 590 pC/N) [1, 2]. Chính vì thế mà hầu hết những ứng dụng áp điện, từ pin điện thoại đến kính hiển vi điện tử xuyên ngầm công nghệ cao (high-tech scanning-tunneling microscope), đều sử dụng vật liệu áp điện PZT. Tuy nhiên, chì (Pb) là một nguyên tố có tính độc hại gây nguy hiểm cho con người đồng thời là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường toàn cầu nếu sử dụng nhiều. Do đó, yêu cầu cấp thiết cần đặt đối với các nhà khoa học đó là cần nghiên cứu để tìm ra vật liệu áp điện không chứa chì có hệ số áp điện cao để đưa vào ứng dụng thay cho vật liệu PZT truyền thống. Gần đây một vài vật liệu áp điện không chứa chì đã được công bố và cho được kết quả khá khả quan. Đặc biệt là hệ vật liệu không chứa chì trên nền (K,Na)NbO3 [3, 4, 5, 6] và BaTiO3 [7, 8, 9, 10]. * Tel: 0988 441425, Email: xuancta@tnus.edu.vn Trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Ca thay thế cho Ba lên cấu trúc và tính chất áp điện của hệ vật liệu áp điện không chứa chì BZT-BCT. THỰC NGHIỆM Hệ vật liệu Ba1-xCaxTi0,9Zr0,1O3 được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là các bột BaCO3, CaCO3, ZrO2 và TiO2 của Merck với độ sạch 99,9%. Các bột được sấy khô ở nhiệt độ 150oC trong 4h, sau đó được cân theo tỷ lệ hợp thức bằng cân điện tử với độ chính xác ± 0,1 mg. Các mẫu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn theo phương trình: (1 – x) BaCO3 + xCaCO3 +0,2 ZrO2 + 0,8TiO2 → Ba1-xCaxTi0,8Zr0,2O3 + CO2 Trước tiên, hỗn hợp bột được nghiền trong dung môi cồn, thời gian nghiền 24h bằng máy nghiền hành tinh, tốc độ 100 vòng/phút. Hỗn hợp sau khi đã nghiền trộn lần một được ép thành viên dưới áp suất 1,5T/cm2 và đem nung sơ bộ ở nhiệt độ 1200oC trong thời gian 4 giờ ở môi trường không khí. Hợp chất đã tổng hợp được là gốm chưa thành phẩm, tiếp tục được đập vỡ và nghiền tiếp trong 24h, sau đó ép viên dưới dạng hình đĩa với đường kính 10mm và chiều dầy 1mm ở áp suất 1,5T/cm2 và nung thiêu kết 4h tại nhiệt độ 1450oC. Cả quá trình nung sơ bộ và thiêu kết ở chế độ gia nhiệt đều được kiểm soát tự động theo chương trình đặt trước với tốc độ 5oC/phút. 39 Chu Thị Anh Xuân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Mẫu đã thiêu kết được xử lý, mài song phẳng bằng các cỡ giấy nhám khác nhau, cuối cùng được mài bóng bằng giấy nhám số 2000. Mẫu được phủ điện cực bạc (Ag) bằng phương pháp đốt nóng keo bạc ở 450oC trong thời gian 45 phút để đo các thông số sắt điện. Mẫu dùng để đo tính chất áp điện được phân cực dưới điện trường 20kV/cm ở nhiệt độ phòng, thời gian 60 phút trong dầu cao thế. Sau khi phân cực, mẫu được để già hóa ít nhất 48 giờ để quá trình khử phân cực xảy ra một cách tự nhiên. Sau thời gian này tính chất của mẫu mới ổn định, ta đo phổ trở kháng và phổ pha để tính các thông số tính chất áp điện bằng hệ đo LCR 3532-Hioki. 188(12/2): 39 - 42 30 thì chúng lại có xu hướng chập lại thành 2 đỉnh ứng với cấu trúc tứ giác. Sự đặc biệt trong cấu trúc này có thể là nguyên nhân dẫn đến hệ số áp điện lớn nhất đạt được tại y = 29,6 mà sẽ được khảo sát chi tiết ở phần sau. BCT-BZT30.4 BCT-BZT30 BCT-BZT29.6 BCT-BZT28.8 BCT-BZT28 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 Hình 1 đưa ra giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu BZT-BCT. 0 40 50 o 60 70 80 90 100 45.6 Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu BZT-BCT Các đỉnh nhiễu xạ có xu hướng dịch về phía 2θ lớn khi nồng độ Ca tăng và một số vạch nhiễu xạ có xu hướng tách đỉnh. Đặc biệt ta thấy ứng với đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ = 44,7o nó tách đỉnh dần khi nồng độ Ca tăng và khi nồng độ 14,8 % nguyên tử (y = 29,6) thì nó đã tách ra thành 3 đỉnh rõ rệt (các đỉnh này có thể ứng với hai loại cấu trúc khác nhau đó là tứ giác và mặt thoi). Khi nồng độ y lớn hơn -20 200 -40 4000 -60 -50 100 2000 1.4 10 6 1.2 10 6 1 10 6 8 10 5 6 10 5 4 10 5 2 10 5 Z (Ohm) 44.4 2 ) 0 300 250 260 270 f (kHz) 280 -80 0 -100 290 650 660 670 f (kHz) -100 690 680 250 100 60 d) c) 200 0 20 Phase Z Phase 40 Z 50 -50 0 150 -20 100  BZT-BCT20 BZT-BCT15 Z (Ohm) Z (Ohm) 6000 20 Z Phase 400 50 Z (Ohm) (322) (310) (311) (220) (221) (211) (212) (002) (200) (210) (110) (111) (100) Z Phase   BZT-BCT25 40 b) 8000 0 380 BZT-BCT28 500 100 a)  BZT-BCT28.8 40 1 10 4   BZT-BCT29.2 30 4  BZT-BCT29.6 20 1.2 10   BZT-BCT30 46 Hình 2. Giản đồ XRD trong vùng 44o-46o của các mẫu được làm khớp vớ ...