Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lí của vật liệu KBiFe2O5

Trong nghiên cứu này, các tác giả nghiên cứu chế tạo loại vật liệu mới có công thức hóa học KBiFe2O5 và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như một vài tính chất quang, từ của chúng. Lần đầu tiên, vật liệu KBiFe2O5 có cấu trúc monolcinic được tổng hợp thành công bằng phương pháp sol-gel.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lí của vật liệu KBiFe2O5 JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 85-90 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA VẬT LIỆU KBiFe2 O5 Lê Thị Mai Oanh1,2 , Đỗ Danh Bích1 , Đặng Hữu Dực2 , Nguyễn Văn Minh1,2 1 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Vật liệu KBiFe2 O5 được chế tạo thành công bằng phương pháp sol-gel. Sự hình thành pha cấu trúc theo nhiệt độ ủ được khảo sát thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X. Vật liệu hình thành ở pha cấu trúc monoclinic khi nhiệt độ ủ lên tới 500 ◦ C và kết tinh tốt nhất ở khoảng 700 ◦ C. Phổ hấp thụ cho thấy bề rộng vùng cấm quang nhỏ (Eg≈1,7 eV), phù hợp với các ứng dụng chuyển đổi năng lượng mặt trời. Kết quả thử nghiệm xử lí dung dịch xanh metylen (MB) dưới ánh sáng đèn dây tóc công suất 100 W cho thấy dung dịch bị khử mạnh nhất đối với mẫu ủ ở 700 ◦ C. Sau 6 h chiếu sáng, nồng độ dung dịch MB còn lại là 40 %. Ngoài ra, vật liệu còn biểu hiện tính chất sắt từ thông qua đường cong từ hóa đo ở nhiệt độ phòng. Từ độ bão hòa của các mẫu giảm dần khi nhiệt độ ủ mẫu tăng. Ở nhiệt độ ủ 700 ◦ C, mẫu có từ độ bão hòa Ms≈0,02 emg/g, phù hợp tốt với nghiên cứu trước đó. Từ khóa: Vật liệu KBiFe2 O5 , tính chất vật lí, phương pháp sol-gel,... 1. Mở đầu Hiệu ứng quang điện khối (bulk photovoltaic effects) trong vật liệu sắt điện được nghiên cứu nhiều thập kỷ gần đây nhờ ứng dụng hứa hẹn của nó trong các lĩnh vực chế tạo linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời và xử lí môi trường [1-4]. Khác với các tế bào quang điện thông thường phải dùng lớp tiếp giáp bán dẫn p-n, hiệu ứng quang điện khối trong vật liệu sắt điện xảy ra nhờ điện trường trong gây ra bởi sự phân cực điện cảm ứng [5-7]. Nhờ đó, điện tử và lỗ trống sinh ra do kích thích quang được phân tách và tránh tái hợp, nâng cao hiệu suất quang điện và giảm giá thành tế bào quang điện. Hơn nữa, hiệu điện thế quang điện cảm ứng quang trong vật liệu sắt điện đa domain không bị giới hạn bởi bề rộng vùng cấm của vật hấp thụ [8] trong khi tế bào quang điện bán dẫn truyền thống chỉ giới hạn Uqd Lê Thị Mai Oanh, Đỗ Danh Bích, Đặng Hữu Dực, Nguyễn Văn Minh cấm quang rất rộng (>3 eV) [5,7] vì vậy không thích hợp cho ứng dụng quang điện do ánh sáng mặt trời chỉ chứa một phần rất nhỏ bức xạ tử ngoại. Một cách lí tưởng, vật liệu sắt điện phải có bề rộng vùng cấm cỡ 1,0 đến 1,8 eV (phù hợp với phổ bức xạ mặt trời), hệ số hấp thụ lớn khoảng 104-105 cm-1, nồng độ hạt tải lớn và phân cực sắt điện đủ mạnh 104-105 Vcm-1. Do hệ số hấp thụ và nồng độ hạt tải phụ thuộc vào bề rộng vùng cấm nên vật liệu có vùng cấm đủ hẹp là mối quan tâm rất lớn của các phòng thí nghiệm. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo loại vật liệu mới có công thức hóa học KBiFe2 O5 và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như một vài tính chất quang, từ của chúng. Lần đầu tiên, vật liệu KBiFe2 O5 có cấu trúc monolcinic được tổng hợp thành công bằng phương pháp sol-gel. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu có bề rộng vùng cấm hẹp (1,7 eV) phù hợp rất tốt với ứng dụng quang điện. Không những thế, vật liệu còn biểu hiện từ tính ở nhiệt độ phòng, hứa hẹn sử dụng làm vật liệu multiferroics. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm Vật liệu KBiFe2 O5 được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Tiền chất được sử dụng là Bi(NO3 ).H2 O, Fe(NO3 )3 .9H2 O và KNO3 . Axit xitric và etylen glycol được dùng làm dung môi hòa tan và chất hoạt hóa bề mặt. Ban đầu muối Bi(NO3 ).H2 O được hòa tan trong dung môi axit xitric/etylen glycol (6/4) trong 2 giờ ở nhiệt độ 60 ◦ C. Muối Fe(NO3 )3 .9H2 O và KNO3 được hòa tan riêng trong nước khử ion, sau đó được nhỏ từ từ vào dung dịch muối bismut. Dung dịch thu được có dạng trong suốt màu nâu đỏ. Sol được gia nhiệt tại nhiệt độ 90 ◦ C trong 5 giờ cho nước bay hơi, kết quả thu được gel trong suốt. Làm khô gel trong tủ sấy mẫu ở nhiệt độ 150 ◦ C trong nhiều giờ thu được gel khô. Đem ủ gel khô ở các nhiệt độ khác nhau trong vòng 3 giờ ta thu được sản phẩm cuối cùng là các hạt nano KBiFe2 O5 . 2.2. Kết quả và thảo luận Để khảo sát sự hình thành pha cấu trúc của vật liệu KBiFe2 O5 , chúng tôi tiến hành đo nhiễu xạ tia X của mẫu sau khi ủ tại các nhiệt độ 400 ◦ C, 600 ◦ C và 700 ◦ C (Hình 1). Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu 400 ◦ C xuất hiện một số đỉnh nhiễu xạ tương ứng với góc 2theta là 22,4; 32,1; 38,9 và 39,5 ◦ C. Các đỉnh nhiễu xạ này được gán phù hợp với các đỉnh nhiễu xạ của vật liệu BiFeO3 có cấu trúc Rhombohedral thuộc nhóm đối xứng không gian R3C (thẻ chuẩn số 71-2494). Khi nhiệt độ ủ tăng lên 600 ◦ C, trên giản đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện thêm một số đỉnh nhiễu xạ tại các ...