Hiệu ứng nhiệt điện trở dương trên vật liệu BaTiO3 pha tạp Y

Hiệu ứng nhiệt điện trở dương (PTC) là hiệu ứng mà điện trở suất của mẫu tăng đáng kể tại nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi. Hệ gốm BaTiO3 và BaTiO3 pha tạp Y được chế tạo bằng phương pháp gốm thông thường với các nguyên liệu ban đầu đều có độ sạch ≥ 99%. Các mẫu đã được phủ điện cực bằng phương pháp phún xạ catot.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiệu ứng nhiệt điện trở dương trên vật liệu BaTiO3 pha tạp YKHOA HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ DƯƠNG TRÊN VẬT LIỆU BATIO3 PHA TẠP Y Nguyễn Long Tuyên, Nguyễn Thanh Đình, Trần Thị Thu Trang Trường Đại học Hùng Vương TÓM TẮT Hiệu ứng nhiệt điện trở dương (PTC) là hiệu ứng mà điện trở suất của mẫu tăng đáng kể tại nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi. Hệ gốm BaTiO3 và BaTiO3 pha tạp Y được chế tạo bằng phương pháp gốm thông thường với các nguyên liệu ban đầu đều có độ sạch ≥ 99%. Các mẫu đã được phủ điện cực bằng phương pháp phún xạ catot. Thực nghiệm đã cho thấy được sự phù hợp tương đối giữa lý thuyết và các kết quả thực nghiệm đồng thời cũng thấy được mối liên hệ chặt chẽ giữa chuyển pha cấu trúc và chuyển pha kim loại - điện môi. Từ khóa: PTC, hiệu ứng nhiệt điện trở dương, BaTiO3, định luật Curie-Weiss 1. MỞ ĐẦU Vật liệu BaTiO3 là vật liệu sắt điện hiện đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất trênthế giới. Không chỉ dừng lại với việc nghiên cứu cấu trúc ABO3 bao gồm 3 thành phần, đã có rấtnhiều công trình nghiên cứu xét tới việc pha tạp thêm các nguyên tố làm cho tính chất của vật liệuperovskite đa dạng hơn rất nhiều nhờ một loạt các hiệu ứng (hiệu ứng chuyển pha, hiệu ứng méomạng...). Ví dụ họ vật liệu có dạng AxA’1-xByB’1-yO3 với các bán kính ion A và A’, B và B’ khácnhau đem lại sự biến dạng lớn về cấu trúc và thay đổi các tính chất điện từ dẫn đến các tương tácmạnh (tương tác trao đổi, siêu trao đổi...), là nguyên nhân chính làm biến đổi cả về tính chất điệnvà tính chất từ (hiện tượng từ hóa tự phát hoặc phân cực tự phát). PTC là khái niệm dùng để chỉ vật liệu có điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Hiệu ứng nàylần đầu tiên tìm thấy trên hệ vật liệu gốm bán dẫn BaTiO3 vào năm 1964. Thông thường điện trởsuất ở nhiệt độ phòng của gốm BaTiO3 là 1010 W.cm, lúc này vật liệu mang tính điện môi. Bằngcách pha tạp ta có thể làm giảm điện trở suất của vật liệu xuống vài bậc trở thành vật liệu dẫn điệnở nhiệt độ phòng, tạp thay thế có thể là kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm như La, Ce, Y... Hiệntượng giảm điện trở suất này là do các ion tạp thế vào vị trí A trong mạng perovskite. Cụ thể vớihệ BaTiO3 pha tạp Y3+ có sự thay thế ion Ba2+ bằng ion Y3+ làm xuất hiện một điện tích dương dư.Để thỏa mãn điều kiện cân bằng điện tích, ion Ti4+ bắt thêm một điện tử theo phương trình sau: Ba 2+Ti 4+ O32− + xY → Ba12−+xYx3+Ti14−+x (Ti 4+ e − ) x O32− . Khi tác dụng điện trường lên mẫu hoặc tăng nhiệt độ, electron tại các mức tạp bị kích thíchnhảy lên vùng dẫn, vật liệu lúc này có tính dẫn loại n. Sự tăng của điện trở suất của vật liệu gốmliên quan đến chuyển pha cấu trúc từ pha sắt điện sang pha thuận điện. Sự thay đổi điện trở suấttheo nhiệt độ xung quanh nhiệt độ Curie có thể lên đến 6 bậc.86 KHCN 2 (31) - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hệ gốm được chế tạo bao gồm BaTiO3 và BaTiO3 pha tạp Y có công thức: Ba1-xYxTiO3 vớix = 0,001 ≤ x ≤ 0,005; Ba1-x-yYxMnyTiO3 với x=0,004; 0,005; y=0,001; 0,002. Nguyên liệu đượcchọn là Y2O3 có độ sạch 99,99%, BaCO3, MnO2, TiO2 đều có độ sạch ≥ 99%. Các nguyên liệu ban đầu được pha trộn theo một tỷ lệ xác định, sau đó được nghiền trộn trongcối mã não nhằm giảm kích thước của hạt và 700trộn nguyên liệu đồng đều. Sau khi được trộn [1] BaTiO 3 600và nghiền, hỗn hợp được nén thành dạng đĩa [2] Ba Y TiO 0.995 0.005 3 [3] Ba Y Mn TiO 0.995 0.003 0.002 3hoặc tấm. Tiếp theo mẫu được nung sơ bộ ở 500 Cêng ®é(®.v.t.y)nhiệt độ 1.0500C tạo điều kiện cho phản ứng 400pha rắn giữa các chất ban đầu xảy ra và hình 300thành perovskite. Hợp chất sau khi nung sơ 200bộ lại tiếp tục được nghiền trộn lần 2, ép và 100 [3]nung thiêu kết ở nhiệt độ từ 1.350 C - 1.380 C. 0 0 0 [1] ...