Khảo sát ảnh hưởng của sự pha tạp và nhiệt độ ủ lên quá trình hình thành pha cấu trúc và kích thước hạt của tinh thể PbTiO3

Trong nghiên cứu này, chúng tôi thay thế một phần cation Ti4 bằng một số nguyên tố kim loại chuyển tiếp tiêu biểu Fe3; Co2 và Ni2 và nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng cũng như nhiệt độ ủ mẫu lên sự hình thành cấu trúc mạng tinh thể cũng như hình thái hạt tinh thể của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khảo sát ảnh hưởng của sự pha tạp và nhiệt độ ủ lên quá trình hình thành pha cấu trúc và kích thước hạt của tinh thể PbTiO3 JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 72-79 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP VÀ NHIỆT ĐỘ Ủ LÊN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHA CẤU TRÚC VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA TINH THỂ PbTiO3 Lê Thị Mai Oanh1,2 , Đỗ Danh Bích, Nguyễn Văn Minh 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 perovskite sắt điện PbTiO3 pha tạp một số kim loại chuyển tiếp được chế tạo thành công bằng phương pháp sol-gel. Sự biến đổi kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của vật liệu được khảo sát thông qua ảnh hiển vi điện tử quét SEM và giản đồ nhiễu xạ tia X. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy, khi thay thế một phần nguyên tố Ti trong tinh thể bằng một số nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Fe, Ni, Co), tỉ số méo mạng tứ giác c/a của tinh thể giảm. Sự giảm mạnh nhất xảy ra khi thay thế nguyên tố Fe và yếu nhất khi pha tạp nguyên tố Co. Tuy nhiên, tỉ số c/a lại tăng lên khi tăng nhiệt độ ủ mẫu. Từ các kết quả nghiên cứu, chúng tôi xây dựng giản đồ hình thành pha cấu trúc của vật liệu PbTiO3 theo nồng độ pha tạp và theo nhiệt độ ủ mẫu. Kết quả phân tích ảnh hiển vi điện tử quét SEM cho thấy, hạt tinh thể có dạng giả cầu với kích thước giảm dần khi tăng nồng độ pha tạp và tăng trở lại khi nhiệt độ ủ tăng. Nguyên nhân chủ yếu của sự biến đổi cấu trúc và kích thước hạt tinh thể được cho là do sự thay thế các ion có bán kính ion và cấu hình điện tử sai khác so với nguyên tố Ti của mạng gốc làm hạn chế sự hình thành pha cũng như sự phát triển của hạt tinh thể. Từ khóa: PbTiO3 , sắt điện, sắt từ, sol-gel, tỉ số c/a, bán kính ion. 1. Mở đầu Vật liệu multiferroics là vật liệu chứa đồng thời hai hoặc nhiều hơn các tính chất ferroics là sắt điện, sắt từ và sắt đàn hồi [1]. Sự tồn tại đồng thời của cả trật tự sắt điện và sắt từ trong vật liệu multiferroics mang đến hiệu ứng vật lí thú vị là hiệu ứng từ điện, giúp cho vật liệu này có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử nhờ vào sự điều khiển qua lại giữa hai trật tự sắt điện và sắt từ [2]. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng, vật liệu multiferroics rất hiếm gặp vì cấu hình nguyên tử đầy một phần có lợi cho trật tự sắt Liên hệ: Lê Thị Mai Oanh, e-mail: lemaioanh@gmail.com 72 Khảo sát ảnh hưởng của sự pha tạp và nhiệt độ ủ lên quá trình hình thành... từ lại không có lợi cho việc hình thành trật tự sắt điện [3]. Ngoài ra, hầu hết các vật liệu multiferroics có nhiệt độ chuyển pha từ rất thấp và thường có trật tự phản sắt từ [4]. Vì vậy, trong một vài thập kỉ qua, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tìm kiếm các vật liệu multiferroics vừa có tính sắt điện vừa có tính sắt từ mạnh ở nhiệt độ phòng [5]. Một trong các hướng nghiên cứu này là thay thế một phần nguyên tố không từ bằng các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có lớp d lấp đầy một phần như Fe, Mn, . . . Trong đó, các cation tạp chất 3dn có vai trò trong việc tạo nên trật tự sắt từ. Chì titanate PbTiO3 là loại vật liệu perovskite tiêu biểu vì nó biểu hiện độ phân cực sắt điện lớn ở nhiệt độ phòng (Psroom = 81µC/cm2 ) và nhiệt độ chuyển pha sắt-thuận điện lớn Tc = 493 K [6]. Gần đây, nhóm tác giả Z. Ren và cộng sự [5] đã thay thế Fe3+ vào vị trí của ion Ti4+ để tạo nên từ tính của vật liệu này ngay ở nhiệt độ phòng với Ms ∼ 0.8 × 10−3 emu/g và Hc ∼ 100 Oe với mẫu 0,5 % Fe. M. Kumar và cộng sự [7] cũng quan sát thấy trật tự sắt điện và sắt từ xuất hiện đồng thời ngay ở nhiệt độ phòng trong vật liệu PbTiO3 pha tạp một phần Mn4+ . Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, khi nồng độ tạp chất tăng lên, tỉ số méo mạng tứ giác c/a của vật liệu giảm đi. Điều này đồng nghĩa với sự suy giảm của độ phân cực sắt điện trong vật liệu [8]. Các quan sát về sự giảm tỉ số c/a khi tăng nồng độ tạp chất đã được các tác giả lí giải dựa trên sự khác biệt bán kính ion của ion thay thế và ion mạng chủ Ti4+ . Tuy vậy, vẫn chưa có nghiên cứu một cách hệ thống về sự ảnh hưởng này. Hơn nữa, điều kiện công nghệ thúc đẩy sự hình thành cấu trúc tứ giác với tỉ số c/a lớn vẫn chưa được bàn tới. Trong nghiên cứu này, chúng tôi thay thế một phần cation Ti4+ bằng một số nguyên tố kim loại chuyển tiếp tiêu biểu Fe3+ , Co2+ và Ni2+ và nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng cũng như nhiệt độ ủ mẫu lên sự hình thành cấu trúc mạng tinh thể cũng như hình thái hạt tinh thể của vật liệu. Các mẫu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel và được nghiên cứu thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X và ảnh hiển vi điện tử quét SEM. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm Nano tinh thể P ...