Tính chất điện môi, sắt điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN

Một số các công trình nghiên cứu gần đây đã chứng tỏ rằng việc đưa tạp phức PMnN vào hệ gốm PZT–PZN là một phương pháp hiệu quả nhằm tăng hệ số phẩm chất cơ học và làm giảm tổn hao điện môi đồng thời cải thiện các tính chất điện môi, áp điện và sắt điện. Bài báo này trình bày kết quả chế tạo và nghiên cứu các tính chất điện môi, sắt điện của hệ gốm 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35- x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – xPb(Mn1/3Nb2/3)O3.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính chất điện môi, sắt điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 TÍNH CHẤT ðIỆN MÔI, SẮT ðIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN Phan ðình Giớ, Lê ðại Vương Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo gốm áp ñiện 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 (viết tắt là PZT–PZN–PMnN) bằng phương pháp truyền thống kết hợp với phường pháp columbit. Ảnh hưởng của nồng ñộ PMnN ñến tính chất ñiện môi và tính chất sắt ñiện của vật liệu ñã ñược nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, tạp phức PMnN ñã làm thay ñổi tính chất ñiện môi và sắt ñiện của vật liệu. Với nồng ñộ PMnN tăng hằng số ñiện môi tại nhiệt ñộ phòng giảm, giá trị cực ñại của hằng số ñiện môi giảm ñồng thời gia tăng ñộ nhòe của dịch chuyển pha sắt ñiện - thuận ñiện. ðộ phân cực dư Pr giảm và trường ñiện kháng Ec tăng khi nồng ñộ PMnN tăng. Ứng với nồng ñộ PMnN là 0,075 mol, các thông số về ñiện môi và sắt ñiện của vật liệu như sau: tổn hao ñiện môi tanδ = 0,004, hằng số ñiện môi ε = 1100, Tm = 2090C và ñộ phân cực dư Pr = 14,05µC/cm2, trường ñiện kháng Ec = 9,96 kV/cm. 1. Mở ñầu Gốm Zirconate Titanate Chì Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) là vật liệu áp ñiện quan trọng ñược sử dụng rộng rãi trong các sensor, bộ cộng hưởng và các bộ lọc. ðể cải thiện các tính chất ñiện môi, sắt ñiện và áp ñiện của gốm, các thành phần có cấu trúc perovskit phức trên nền Pb ñã ñược pha thêm vào gốm PZT như Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, Pb(Y2/3W1/3)O3, Pb(Mn1/3Sb2/3)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 [2, 3]. So với gốm PZT, gốm nhiều thành phần có những tính chất nổi bật như hằng số ñiện môi cao, vùng chuyển pha sắt ñiện - thuận ñiện mở rộng, tính chất sắt ñiện và áp ñiện tốt. Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN) và Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 (PMnN) là các gốm sắt ñiện rơlaxo ñiển hình có hằng số ñiện môi lớn và nhiệt ñộ thiêu kết tương ñối thấp [2]. Hệ vật liệu PZT−PZN ñược nhiều nhà khoa học trong nước và thế giới quan tâm nghiên cứu trong những năm gần ñây như 0,9PZT−0,1PZN [7], 0,35Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 − 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3 [1, 4] do chúng có hằng số ñiện môi ε lớn, hệ số liên kết ñiện cơ kp lớn, ñộ phân cực dư Pr lớn. Tuy nhiên, lại có hệ số phẩm chất cơ học Qm chưa ñược cao, tổn hao ñiện môi tanδ tương ñối lớn nên ñã làm hạn chế ứng dụng của chúng trong các thiết bị công suất như biến thế áp ñiện, mô-tơ áp ñiện, biến tử phát siêu âm công suất... [2, 3]. Vì vậy, cần phải cải thiện hơn nữa các tính chất áp ñiện, nâng cao tính chất cơ học và giảm tổn hao ñiện môi của gốm PZT–PZN. 53 Một số các công trình nghiên cứu gần ñây ñã chứng tỏ rằng việc ñưa tạp phức PMnN vào hệ gốm PZT–PZN là một phương pháp hiệu quả nhằm tăng hệ số phẩm chất cơ học và làm giảm tổn hao ñiện môi ñồng thời cải thiện các tính chất ñiện môi, áp ñiện và sắt ñiện [2, 3]. Bài báo này trình bày kết quả chế tạo và nghiên cứu các tính chất ñiện môi, sắt ñiện của hệ gốm 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35- x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – xPb(Mn1/3Nb2/3)O3. 2. Thực nghiệm Gốm ñược chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp với phương pháp columbit [1,7] với công thức 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3– xPb(Mn1/3Nb2/3)O3. Trong ñó, x = 0,0; 0,05; 0,075; 0,10; 0,125, 0,15 và 0,20 mol (ký hiệu M0, M1, M2, M3, M4, M5, M6) Nguyên liệu ban ñầu là các oxyt: PbO (99%), ZrO2 (99%), TiO2 (99%), Nb2O5 (99,9% Merck), ZnO (99%) và MnO2 (99%). Quá trình tổng hợp dung dịch rắn PZT– PZN–PMnN gồm hai giai ñoạn: Giai ñoạn 1: Chế tạo hợp chất Columbit ZnNb2O6 và MnNb2O6. Trộn các oxit (ZnO, Nb2O5) và (ZnO, MnO2) nghiền trong 8 giờ và nung ở nhiệt ñộ 10500C trong 2 giờ ñể tạo thành các columbit ZnNb2O6 và MnNb2O6 tương ứng. Giai ñoạn 2: Tổng hợp dung dịch rắn PZT-PZN-PMnN. Trộn hỗn hợp Columbit ñã nghiền 6 giờ với hỗn hợp các oxyt PbO, ZrO2, TiO2 theo tỷ lệ hợp thức ứng với mỗi mẫu. Hỗn hợp sau khi nghiền trộn 8 giờ, ñược nung sơ bộ tại nhiệt ñộ 8500C trong 2 giờ, sau ñó nghiền 16 giờ, ép thủy lực thành những viên có ñường kính 12mm và nung thiêu kết tại nhiệt ñộ 11500C trong 2 giờ. Tỉ trọng của gốm ñược xác ñịnh bằng phương pháp Ac-si-met. Sự hình thành pha của các mẫu ñược nghiên cứu bởi phương pháp nhiễu xạ tia X (D8 ADVANCE), hình ảnh vi cấu trúc của các mẫu ñược chụp bằng kính hiển vi ñiện tử quét (HITACHI S-4800). Các mẫu gốm ñược tạo ñiện cực bằng bạc và phân cực trong dầu silicon tại nhiệt ñộ 130oC, ñiện trường 30 kV/cm trong 15 phút. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Mật ñộ gốm PZT-PZN-PMnN Hình 1 biểu diễn sự phụ thuộc của mật ñộ gốm theo nồng ñộ PMnN. Mật ñộ gốm trung bình tăng khi nồng ñộ PMnN tăng và ñạt giá trị lớn nhất (7,81 g/cm3) ứng với nồng ñộ PMnN là 10% mol, sau ñó giảm ứng với nồng ñộ PMnN tăng. 54 7.85 3 MËt ®é (g/cm ) 7.80 7.75 7.70 7.65 7.60 7.55 0 5 10 15 20 Nång ®é PMnN (%mol) Hình 1. Sự phụ thuộc của mật ñộ gốm vào nồng ñộ PMnN Từ ảnh SEM (Hình 2) của các mẫu cho thấy vi cấu trúc của các mẫu khá ñồng ñều và các hạt xếp chặt. Kích thước hạt trung bình của các mẫu giảm dần khi nồng ñộ PMnN tăng và ñạt giá trị nhỏ nhất là 0,65µm ứng với mẫu M3. Mẫu M3 có kích thước hạt nhỏ nhất, các hạt xếp chặt và ñồng ñều nên mẫu này có mật ñộ lớn nhất (7,81 g/cm3). Tuy nhiên, khi nồng ñộ PMnN tiếp tục tăng, kích thước tăng lên, biên hạt không rõ ràng, ñộ xốp lớn (M4) vì thế các mẫu có mật ñộ gốm giảm. M0 M1 M2 M4 M3 Hình Hình 2. Ảnh vi cấu trúc của các mẫu M0, M1, M2, M3 và M4 3.2. Tính chất ñiện môi của gốm PZT-PZN-PMnN Hình 3 biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số ñiện môi ε và tổn hao ñiện môi tanδ theo nồng ñộ PMnN tại nhiệt ñộ phòng và tại tần số 1kHz. Hằng số ñiện môi giảm dần khi nồng ñộ PMnN tăng từ 5% mol ñến 20% mol. Tổn hao ñiện môi tanδ giảm khi nồng ñộ PMnN tăng và ñạt giá trị cực tiểu (tanδ = 0,004) ứng với nồng ñộ PMnN là 0,075 mol (M2), sau ñó tanδ tăng theo nồng ñộ PMnN tăng. ðiều này có thể giải thích là do 55 14000 0.018 12000 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 10000 8000 6000 0.5 M0 M1 M2 M3 M4 M5 0.4 0 1 3 5 4000 0 10 15 50 0.1 3 2 -4000 20 0 100 150 200 250 3000.0 0 ...