Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sắt điện không chứa chì nền Bi0,5(NaK)0,5TiO3 (BNKT) pha tạp Li dạng khối và BNKT20 dạng màng

Mục tiêu của luận án: Tổng hợp thành công hai hệ gốm áp điện không chì BNKT đồng pha tạp Li, Sn và BNKT đồng pha tạp Li, Zr bằng phương pháp phản ứng pha rắn; nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên cấu trúc, tính chất sắt điện, tính chất áp điện và tính chất quang của vật liệu. Trên cơ sở giải thích kết quả thực nghiệm bằng các mô hình lý thuyết phù hợp, luận án đánh giá được cơ chế tăng cường tính chất sắt điện và tính chất áp điện của vật liệu, từ đó rút ra được phương hướng tối ưu nhằm nâng cao tính chất của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sắt điện không chứa chì nền Bi0,5(NaK)0,5TiO3 (BNKT) pha tạp Li dạng khối và BNKT20 dạng màng 1 MỞ ĐẦU Vật liệu điện môi – sắt điện cấu trúc perovskite ABO3 (A – đấthiếm, B – kim loại chuyển tiếp) được ứng dụng rộng rãi trong ngànhcông nghiệp điện tử và có vai trò quan trọng đối với sự phát triển củaxã hội loài người hiện đại. Vật liệu sắt điện thường được sử dụngtrong các thiết bị nhớ, các bộ biến năng áp điện hay công nghệ cảmbiến nhờ khả năng nhạy với những biến đổi cơ, nhiệt, điện v.v. thôngqua sự thay đổi mật độ điện tích dưới tác dụng của ứng suất cơ họchoặc biến dạng cơ học dưới tác dụng của điện trường [96], [140],[138], [106]. Ngoài ra, khi được đặt trong điện trường ngoài, vật liệusắt điện thể hiện đặc trưng điện môi phi tuyến mạnh, do đó chúngcòn được sử dụng trong các thiết bị chuyển pha, hay bộ lọc tần sốtrong công nghệ truyền thông [56]. Vật liệu sắt điện truyền thống nềnPb(Zr,Ti)O3 (PZT) đã độc chiếm ở nhiều ngành công nghiệp quantrọng bởi tính chất áp điện nổi trội của nó. Với các đặc trưng áp điện,sắt điện và điện môi rất tốt, vật liệu nền PZT rất phong phú về cácứng dụng, từ bộ phát siêu âm dạng khối trong bể rửa siêu âm tới bộcảm biến vi cơ có cấu trúc micromet v.v. Theo kết quả nghiên cứucủa nhóm W. Jo và cộng sự thì thị trường vật liệu trong năm 2014đạt khoảng 12,29 triệu USD, trong đó mảng vật liệu khối PZT chiếmkhoảng 94,5% thị phần sử dụng [78]. Kết quả khảo sát khẳng địnhnhu cầu sử dụng vật liệu PZT trong các ứng dụng là vô cùng lớn. Tuy nhiên, vật liệu PZT có nhược điểm là hàm lượng nguyên tốchì (Pb) chiếm khoảng 60% khối lượng. Trong quá trình chế tạo, sửdụng cũng như tái chế, nguyên tố Pb có thể bay hơi, khuếch tán vàotrong môi trường làm ảnh hưởng tới môi trường sống và sức khỏecủa con người khi nhiễm độc chì một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.Theo báo cáo của Trung tâm Đào tạo và chỉ đạo Bệnh viện BạchMai, biểu hiện nhiễm độc chì cấp tính của người lớn là ảnh hưởng tớithần kinh trung ương, dẫn tới tình trạng lơ mơ, lẫn lộn, mất trí v.v,trong đó biểu hiện nhiễm độc chì mãn tính thể hiện ở tình trạng tănghuyết áp, rối loạn chức năng thận và đục thủy tinh thể v.v. Đối vớitrẻ em, tình trạng nhiễm độc chì không biểu hiện rõ ràng, mà chỉ thểhiện âm thầm qua sự chậm phát triển trí tuệ và thể chất, giảm khảnăng nghe, có các hành vi hung hăng, bạo lực v.v. 2 Sự độc hại của nguyên tố chì đối với môi trường và sức khỏe conngười đã được quan tâm rộng rãi qua hàng loạt các văn bản cùng cáchướng dẫn liên quan của Ủy ban Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốcv.v. tới việc chế tạo, sử dụng và tái chế các linh kiện điển tử có chứaPb được ban hành [138]. Các văn bản đó đã thúc đẩy các nhà khoahọc nghiên cứu phát triển vật liệu mới nhằm thay thế cho PZT. Cácvật liệu mới này phải đáp ứng điều kiện thân thiện với môi trường vàsức khỏe của người sử dụng nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về tính chấtđặc trưng của vật liệu trong việc chế tạo linh kiện. Mặc dù các vănbản này được ban hành từ những năm đầu thế kỷ 20, nhưng cho đếnthời điểm này, theo thống kê của nhóm W. Jo và cộng sự, vật liệu sắtđiện không chứa chì chỉ chứa một thị phần rất nhỏ (khoảng 1%)trong thị trường vật liệu sắt điện [78]. Do đó, việc phát triển vật liệusắt điện không chì hứa hẹn một thị trường rộng lớn khi nó thay thếcho các linh kiện điện tử sử dụng vật liệu PZT truyền thống. Hiện nay ở Việt Nam, vật liệu sắt điện cũng được quan tâmnghiên cứu ở một số trung tâm nghiên cứu lớn. Điển hình, nhóm củaTS. Chương Văn Trương Đại học Huế nghiên cứu cơ bản và ứngdụng trên nền vật liệu PZT. Nhóm của PGS. Lê Văn Hồng, ViệnKhoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam nghiên cứu cáchệ gốm nền PZT, BFO, BTO [4, 5]. Với thế mạnh về nghiên cứu ứngdụng, nhóm của GS. Nguyễn Hữu Đức, PGS. Phạm Đức Thắng,PGS. Nguyễn Thị Hương Giang, trường Đại học Công nghệ nghiêncứu ứng dụng đa pha sắt điện-sắt từ trên nền vật liệu PZT và vật liệutừ giảo cho các cảm biến. Đặc biệt, dưới sự hướng dẫn của PGS. VũNgọc Hùng, nhóm MEMS Viện ITIMS, trường Đại học Bách KhoaHà Nội đã có thời gian dài nghiên cứu cơ bản và ứng dụng màngmỏng PZT cho cảm biến sinh học [122-125]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn chủ yếu tập trung nghiên cứucơ bản cũng như định hướng ứng dụng dựa trên vật liệu chứa chì nềnPZT. Các sản phẩm sử dụng linh kiện điện tử loại này sẽ gặp các ràocản về mặt pháp lý dẫn tới rất khó, hoặc không thể thâm nhập vàocác thị trường tiềm năng như EU, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc v.v. Nhất làtrong giai đoạn hiện nay Việt Nam đang phát triển hợp tác songphương, đa phương với các nước các tổ chức thương mại trên thếgiới. Do đó, việc nghiên cứu phát triển vật liệu gốm áp điện không 3chì nhằm thay thế cho vật liệu gốm sắt điện chứa chì thuyền thốngnền PZT là một yêu cầu tất yếu. Hiện nay, vật liệu sắt điện nền Bi đang được đặc biệt quan tâmnhư những ứng cử viên thân thiện môi trường có thể sánh ngang vớivật liệu PZT truyền thống vì ion Bi3+ giống với Pb2+, có khả năngphân cực mạnh [10, 168]. Với việc thể hiện tính chất áp điện tối ưutrong lân cận biên pha hình thái (MPB) giữa pha mặt thoi (R3c) vàpha tứ giác (P4mm) [112], hệ BNT-BKT (BNKT) là một trongnhững vật liệu không chì có tính chất gần với PZT nhất, với độ phâncực dư Pr là 38 µC/cm2, hệ số áp điện d33 là 167 pC/N, hệ số ghépđiện cơ k33 cỡ 0,56 [209]. Hơn nữa, các kết quả nghiên cứu chỉ rarằng hệ số biến dạng gây bởi điện trường của BNKT (hệ số chuyểnđổi điện-cơ, Smax/Emax) được tăng cường mạnh khi tiến hành pha tạphoặc ở dạng dung dịch rắn với một số vật liệu có cấu trúc perovskitekhác như [140]. Cụ thể, tác giả N. Binh và cộng sự cho rằng với việcthay thế vị trí Ti4+ bằng 2 mol.% Ta+5, gốm Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5TiO3đã cải thiện đáng kể hệ số dẫn nạp áp điện Smax/Emax từ ...