Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ tới cấu trúc, tính chất từ và quang học của vật liệu BiFeO3

Trong bài báo này, các tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ dung dịch KOH đến cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang học và tính chất từ của vật liệu BiFeO3. Đồng thời chỉ ra nồng độ dung dịch KOH thích hợp để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn pha, cải thiện tính chất từ của vật liệu ở nhiệt độ phòng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ tới cấu trúc, tính chất từ và quang học của vật liệu BiFeO3 JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 3-8 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 Đào Việt Thắng1,2 , Hoàng Văn Tiến1 , Dư Thị Xuân Thảo2 , Lê Thị Mai Oanh1 , Đỗ Thu Hà3 , Nguyễn Văn Minh1 1 Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; 2 Bộ môn Vật lí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất; 3 Khoa Khoa học Đại cương, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Tóm tắt. Vật liệu BiFeO3 là vật liệu đa pha điện từ. Vật liệu này hứa hẹn khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử như: bộ lọc, thiết bị đọc và ghi từ, thiết bị thu phát sóng siêu âm,. . . Trong bài báo này, chúng tôi trình bày cách chế tạo vật liệu BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt và khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch KOH lên cấu trúc, tính chất từ và tính chất quang học của vật liệu này. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy khi nồng độ dung dịch KOH bằng 7 M, vật liệu kết tinh đơn pha cấu trúc. Bằng phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy vật liệu BiFeO3 có kích thước 2 µm, hình thái bề mặt của vật liệu có sự thay đổi khi nồng độ dung dịch KOH tăng từ 4 tới 8 M. Bề rộng vùng cấm quang của vật liệu BiFeO3 thay đổi theo nồng độ dung dịch KOH. Đường cong từ hóa được đo trên hệ PPMS (mode 6000) cho thấy từ độ bão hòa (Ms) và từ độ còn dư (Mr) có sự thay đổi theo nồng độ dung dịch KOH. Khi nồng độ dung dịch KOH bằng 7 M, từ độ bão hòa Ms của vật liệu BiFeO3 có giá trị lớn nhất. Từ khóa: Vật liệu BiFeO3 , từ độ, KOH. 1. Mở đầu Vật liệu đa pha điện từ BiFeO3 tồn tại đồng thời tính chất phản sắt từ và tính chất sắt điện trên cùng một pha cấu trúc. Tính chất phản sắt từ với nhiệt độ Néel (TN ∼ 643K), tính chất sắt điện với nhiệt độ chuyển pha (TC ∼ 1100K) [1-2]. Nhờ vậy, vật liệu này có thể ứng dụng trong lĩnh vực điện tử như: bộ lọc, thiết bị đọc và ghi từ, thiết bị thu phát sóng siêu âm,. . . [3]. Cấu trúc và tính chất vật lí của vật liệu bị ảnh hưởng bởi điều kiện công nghệ chế tạo. Manoj Kumar và cộng sự [4] bằng phương pháp sol-gel đã chế tạo vật liệu BiFeO3 có cấu trúc rhombohedral kèm theo các pha tạp chất như Bi36 Fe24 O57 và Bi2 Fe4 O9 , với kính thước hạt khoảng 200 nm. Nhóm tác giả này cũng chỉ ra khi nung mẫu Liên hệ: Đào Việt Thắng, e-mail: dvthangphysics@gmail.com. 3 Đ.V. Thắng, H.V. Tiến, D.T.X. Thảo, L.T.M. Oanh, Đ.T. Hà, N.V. Minh trong môi trường khí Ar ở nhiệt độ 600◦ C có thể làm giảm pha tạp chất và nâng cao từ tính của vật liệu BiFeO3 . Jie Wei và cộng sự [3] chế tạo vật liệu BiFeO3 dạng ống có đường kính 150 ÷ 190 nm bằng phương pháp sol-gel. Vật liệu BiFeO3 dạng ống có bề rộng vùng cấm quang 2,5 eV, thể hiện tính chất sắt từ mềm ở nhiệt độ phòng. Zhike Liu và cộng sự [5] sử dụng phương pháp đồng kết tủa chế tạo hạt nano BiFeO3 có cấu trúc rhombohedral, kích thước hạt 150 ÷ 200 nm, bề rộng vùng cấm quang khoảng 2, 10 eV. Tính toán lí thuyết của Kun Liu và cộng sự [6] cho thấy với cấu trúc rhombohedral, vật liệu BiFeO3 có bề rộng vùng cấm quang 2, 5 eV, do chuyển điện tử từ trạng thái 2p − O lên trạng thái 3d − Fe. Yu-Qin Zheng và cộng sự [7] chế tạo vật liệu BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt. Nhóm nghiên cứu này đã chỉ ra vật liệu có kích thước hạt (khoảng 1 ÷ 3 µm) và từ độ bão hòa (khoảng 0, 067 ÷ 0, 086 emu/g). Cũng bằng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu BiFeO3 , Jian-Ping Zhou và cộng sự [8] đã chỉ vai trò KOH trong việc hình thành hình thái bề mặt và kích thước hạt của vật liệu. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ dung dịch KOH đến cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang học và tính chất từ của vật liệu BiFeO3 . Đồng thời chỉ ra nồng độ dung dịch KOH thích hợp để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn pha, cải thiện tính chất từ của vật liệu ở nhiệt độ phòng. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm Vật liệu BiFeO3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Hóa chất được sử dụng bao gồm Bi(NO3 )3 .5H2 O, FeCl3 .6H2 O và KOH. Đầu tiên, các muối được cân đúng tỉ phần, sau đó đem hòa tan trong 20 ml nước cất. Bước tiếp theo, nhỏ từ từ 45 ml dung dịch KOH nồng độ xác định vào hỗn hợp, rồi tiếp tục khuấy đều trong vòng 60 phút. Cuối cùng, hỗn hợp được thủy nhiệt ở nhiệt độ 200◦ C trong thời gian 4 giờ. Đem lọc rửa kết hợp sản phẩm thu được với rung siêu âm nhiều lần. Sản phẩm cuối cùng được sấy khô ở nhiệt độ 80◦ C trong chân không. Cấu trúc và tính chất của vật liệu BiFeO3 được khảo ...