Nghiên cứu ảnh hưởng Nd lên tính chất của vật liệu BiFeO3

ật liệu BiFeO3 pha tạp Nd được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Phổ tán sắc năng lượng (EDX) cho thấy các mẫu có thành phần hóa học phù hợp với công thức danh định. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy vật liệu có cấu trúc mặt thoi (rhombohedral) thuộc nhóm không gian R3C, hằng số mạng a và c đều giảm khi nồng độ pha tạp tăng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng Nd lên tính chất của vật liệu BiFeO3 JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 9-15 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG Nd LÊN TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 Đào Việt Thắng1,2 , Dư Thị Xuân Thảo2 , Nguyễn Thị Diệu Thu2 , Hồ Quỳnh Anh2 , 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 Tóm tắt. Vật liệu BiFeO3 pha tạp Nd được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Phổ tán sắc năng lượng (EDX) cho thấy các mẫu có thành phần hóa học phù hợp với công thức danh định. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy vật liệu có cấu trúc mặt thoi (rhombohedral) thuộc nhóm không gian R3C , hằng số mạng a và c đều giảm khi nồng độ pha tạp tăng. Nd đã thay thế vào vị trí Bi được chỉ ra trong phổ tán xạ Raman và giản đồ nhiễu xạ tia X. Bề rộng vùng cấm quang của vật liệu giảm khi nồng độ pha tạp tăng. Tính chất từ của hệ vật liệu được khảo sát bằng phép đo từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường cực đại 12 kOe. Sự pha tạp Nd vào BiFeO3 đã cải thiện tính chất sắt từ của vật liệu này. Từ khóa: BiFeO3 , Raman, sol-gel, pha tạp Nd.1. Mở đầu BiFeO3 là vật liệu mutilferroic tồn tại đồng thời trật tự phản sắt từ (TN ∼ 643K)và trật tự sắt điện (TC ∼ 1100K) [1]. Vật liệu này có thể ứng dụng trong việc chế tạocác thiết bị điện tử như: bộ lọc, thiết bị thu và phát sóng siêu âm, thiết đọc và ghi từ tốcđộ cao [2-3]. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc thay thế một số vị trí của ionBi3+ bằng các ion đất hiếm như La3+ , Sm3+ , Eu3+ , Y3+ , Nd3+ , . . . [4-7] có thể làm tăngtừ tính của hệ vật liệu. Zhang và cộng sự [8] đã chỉ ra rằng La3+ thay thế cho Bi3+ có thểlàm giảm các pha tạp chất không mong muốn, đồng thời làm mất trật tự cấu trúc spin tạonên trật tự phản sắt từ. Zhang cũng chỉ ra rằng khi hàm lượng La tăng tới 30% sẽ có sựchuyển pha từ cấu trúc rhombohedral sang cấu trúc orthorhombic. Báo cáo của Yuan vàcộng sự [9] cho thấy Nd pha tạp vào BiFeO3 làm mất trật tự trong cấu trúc tinh thể, điềunày đã làm cải thiện tính chất áp điện, trật tự sắt điện và phản sắt từ của vật liệu. Vật liệumàng BiFeO3 pha tạp Nd đã được báo cáo bởi Gaur và các cộng sự [10] chỉ ra rằng từ độbão hòa (Ms) tăng khi hàm lượng Nd tăng từ x = 0, 00 tới x = 0, 10 và giảm khi nồngđộ Nd tăng tới x = 0, 15. Một báo cáo khác của Cavalcante và cộng sự [5] đã chỉ ra 15%Liên hệ: Đào Việt Thắng, e-mail: dvthangphysics@gmail.com. 9Đào Việt Thắng, Dư Thị Xuân Thảo, Nguyễn Thị Diệu Thu, Hồ Quỳnh Anh, Nguyên Văn Minhmol Nd pha tạp vào BiFeO3 làm xuất hiện trạng thái hóa trị II của sắt (Fe2+ ) kết quả làmgiảm giá trị Ms. Các báo cáo của Xue [3] và Gautam [11] cho thấy kích thước hạt có ảnhhưởng tới trật tự sắt từ của màng BiFeO3 . Hiện nay có những quan điểm khác nhau về ảnhhưởng của Nd khi pha tạp vào BiFeO3 . Trong báo cáo này, chúng tôi tiếp tục nghiên cứuảnh hưởng của Nd lên cấu trúc, tính chất quang và tính chất từ của vật liệu BiFeO3 .2. Nội dung nghiên cứu2.1. Thực nghiệm Chúng tôi đã chế tạo vật liệu BiFeO3 pha tạp Nd bằng phương pháp sol-gel.Các hóa chất được sử dụng trong thí nghiệm là Bi(NO3 )3 .5H2 O; Fe(NO3 )3 .9H2 O;Nd(NO3 )3 .6H2 O; axit xitric và etylen glicol. Đầu tiên, các hóa chất được cân đúng tỉphần. Bước tiếp theo, các hóa chất được hoà tan trong dung dịch axit xitric/etylen glicol(tỉ lệ thể tích 70/30) ở nhiệt độ khoảng 50 - 60◦ C. Sau khi các hóa chất tan hoàn toàn,nhiệt độ tăng tới 100◦ C để cô cạn dung dịch. Sau cùng, mẫu được đốt ở 800◦ C trong thờigian 6 giờ để loại bỏ các chất hữu cơ còn có trong mẫu. Các kĩ thuật khác nhau được sử dụng để phân tích tính chất của vật liệu như: phổtán sắc năng lượng, giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ và đường congtừ hóa.2.2. Kết quả và thảo luận Hình 1. Phổ tán sắc năng lượng của hệ vật liệu Bi1−x Ndx FeO3 (x = 0,00 ÷ 0,15)10 Nghiên cứu ảnh hưởng Nd lên tính chất của vật liệu BiFeO3 Để xác định thành phần hóa học của hệ vật liệu chế tạo được, phổ tán sắc nănglượng được sử dụng (Hình 1). Trên Hình 1 cho thấy tất cả các mẫu có thành phần hóa họcphù hợp với công thức danh định. Đối với mẫu chưa pha tạp Nd (x = 0, 00), các đỉnhđặc trưng của nguyên tử Bi xuất hiện tại vị trí ứng với năng lượng kích thích khoảng (1,9;2,4; 2,7 keV); đỉnh đặc trưng cho nguyên tử Fe xuất hiện tại (0,6; 6,4; 7,1 keV), và đỉnhđặc trưng cho nguyên tử O (0,4 keV). Đối với các mẫu pha tạp, ngoài các đỉnh đặc trưngcho nguyên tố Bi, Fe, O còn thấy xuất hiện thêm đỉnh đặc trưng cho nguyên tố Nd ở vị trí(5,3; 5,7 keV). Cường độ đỉnh đặc trưng của ngu ...