Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu La₂NiO₄

Nội dung tài liệu: Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu La₂NiO₄

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------- LÊ VŨ ĐẠT CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU La2NiO4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------- LÊ VŨ ĐẠT CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU La2NiO4 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - Năm 2014 2
3. LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh đã giúp đỡ, chi bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trung tâm khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Hóa học vô cơ đã tạo điều kiện, giúp đỡ em về mặt thiết bị cũng nhƣ hóa chất, đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong quá trình chế tạo mẫu Cuối cùng tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời thân, anh,em, bạn bè đã động viên giúp đỡ rất nhiều để tôi thực hiện luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn một cách hoàn chỉnh nhất song vẫn không tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn để luận văn đƣợc hoàn chỉnh hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2014 Học Viên Lê Vũ Đạt 3
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. .................................................................................................... 11 1.1. Vật liệu Perovskite. .................................................................................................... 11 1.1.1. Cấu trúc Perovskite. ................................................................................................ 11 1.1.2. Liên kết trong mạng Perovskite. ............................................................................. 12 1.1.3. Vật liệu Perovskite sắt từ. ....................................................................................... 14 1.1.4. Vật liệu Perovskite sắt điện. ................................................................................... 14 1.2. Vật liệu BaTiO3. ......................................................................................................... 19 1.3. Vật liệu La2NiO4......................................................................................................... 20 1.4. Vật liệu multiferroics. ................................................................................................ 20 1.4.1. Phƣơng pháp sol- gel .............................................................................................. 22 1.4.2. Phƣơng pháp phản ứng pha rắn (phƣơng pháp gốm) ............................................. 23 CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU. .................................................................................................. 24 2.1. Chế tạo La2NiO4 bằng phƣơng pháp sol- gel. .......................................................... 24 2.2. Chế tạo BaTiO3 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt (sử dụng BaTiO3 chế tạo sẵn). ... 26 2.3. Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x bằng phƣơng pháp nghiền trộn pha rắn. ............................................................................................................................... 29 2.4. Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x bằng phƣơng pháp sol- gel (phƣơng pháp lõi vỏ). ................................................................................................................. 30 2.5. Nhiễu xạ kế tia X. ....................................................................................................... 31 2.6. Kính hiển vi điện tử quét (SEM). .............................................................................. 33 2.7. Hệ đo các tính chất từ VSM. .................................................................................... 35 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ THẢO LUẬN. ....................................................... 37 3.1. Cấu trúc. ..................................................................................................................... 37 3.1.1. Cấu trúc của vật liệu La2NiO4. ............................................................................... 37 3.1.2. Cấu trúc của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x ...................................................... 39 3.2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của hệ vật liệu vào nhiệt độ. ................................ 46 3.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hệ vật liệu vào nhiệt độ. ......................... 47 3.4. Sự phụ thuộc của tính chất từ của hệ vật liệu vào nhiệt độ. .................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 51 4
5. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A,B : Các ion (cation) O : Nguyên tử Oxy CGS : (centimetre-gram-second system) là hệ đơn vị của vật lý học dựa trên centimet nhƣ là đơn vị của chiều dài, gam là đơn vị khối lƣợng, và giây là đơn vị thời gian. La : nguyên tố Latan Ba : nguyên tố Bari Ca : nguyên tố Canxi Fe : nguyên tố Sắt Ni : nguyên tố Niken C : Nguyên tố Cacbon Tc : Nhiệt độ chuyển pha Curie C : Nhiệt độ Curie – Weiss AC : axit ctric. SEM : Kính hiển vi điện tử. TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua. EDX : Phƣơng pháp phân tích phổ 5
6. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.1 Bán kính ion và các thông số mạng của một số hợp chất có cấu trúc Perovskite. Bảng 3.1.1 Kí hiệu, độ pH, nhiệt độ nung, thời gian nung các mẫu La- 2NiO4. Bảng 3.1.2 Kí hiệu, tỷ lệ thành phần, nhiệt độ nung, thời gian nung của hệ mẫu La2NiO4. Bảng 3.2.1 Bảng giá trị năng lượng kích hoạt của mẫu R5, R6, R7 6
7. DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1.1 Cấu trúc perovskite lý tưởng. 9 Hình 1.1.2 Đồ thị năng lượng tổng cộng theo thể tích ô mạng ứng với một 12 cấu hình ion xác định. Hình 1.1.3 Pha cấu trúc và phân cực tự phát. 13 Hình 1.1.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phân cực tự phát trong các pha 14 cấu trúc của BaTiO3. Hình 1.1.5 Sự tạo thành giếng thế kép trong mạng ion Perovskite sắt điện. 14 Hình 1.1.6 Đômen của vật liệu sắt điện. 16 Hình 1.1.7 Đường cong điện trễ. 17 Hình 1.2.1 Minh họa các đặc trưng và tác động qua lại của tính sắt điện và 19 sắt từ trong vật liệu Multiferroics. Hình 1.2.2 Mối quan hệ giữa vật liệu Multiferroics và vật liệu điện từ. 19 Hình 2.1.1 Sơ đồ chế tạo La2NiO4 bằng phương pháp sol – gel. 22 Hình 2.1.2 Hình thành gel nhớt với độ pH khác nhau. 23 Hình 2.1.3 Gel nhớt sau khi sấy khô và nung sơ bộ. 23 Hình 2.1.4 Nghiền bột xốp bằng cối mã não. 24 Hình 2.1.5 Bột La2NiO4 thu được sau khi nung thiêu kết. 24 Hình 2.2.1 Quy trình chế tạo vật liệu BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt. 24 Hình 2.2.2 Thiết bị ủ nhiệt và bình thủy nhiệt. 26 Hình 2.2.3 Ảnh SEM của BaTiO3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt 27 Hình 2.3.1 Giản đồ thời gian của quá trình nung thiêu kết. 27 Hình 2.4.1 Giản đồ chế tạo vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) bằng phương 28 pháp sol- gel. 7
8. Hình 2.5.1 Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể 29 Hình 2.5.2 Hình ảnh của một nhiễu xạ tia X 31 Hình 2.6.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi 33 điện tử quét. Hình 2.7.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ đo từ kế mẫu rung 34 Hình 3.1.1.1 Nhiễu xạ X-ray của mẫu La2NiO4 với độ pH khác nhau. 35 Hình 3.1.1.2 Nhiễu xạ X-ray của mẫu La2NiO4 với nhiệt độ nung khác nhau 36 Hình 3.1.1.3 Ảnh SEM của mẫu La2NiO4. 37 Hình 3.1.2.1 Nhiễu xạ Xray của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo 38 bằng phương pháp sol- gel với giá trị x khác nhau. Hình 3.1.2.2 Giản đồ Xray của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo bằng 38 phương pháp nghiền trộn với giá trị x khác nhau. Hình 3.1.2.3 Ảnh SEM và giản đồ EXD của mẫu D1. 39 Hình 3.1.2.4 Ảnh SEM và giản đồ của EDX của mẫu D2. 40 Hình 3.1.2.5 Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu D3. 41 Hình 3.1.2.6 Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu R2. 41 Hình 3.1..2.7 Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu R3. 42 Hình 3.1.2.8 Ảnh TEM của mẫu D1,D2,D3. 43 Hình 3.2.1 Sự phụ thuộc của điện trở suất mẫu R5,R6, R7 vào nhiệt độ. 44 Hình 3.2.2 Sự phụ thuộc của ln theo 1/T của mẫu R5, R6, R7 45 Hình 3.3.1 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của mẫu V5 vào nhiệt độ 45 Hình 3.3.2 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi mẫu R5, R6, R7 vào nhiệt độ 47 Hình 3.4.1 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi mẫu V6,D1, D2, D3 vào nhiệt độ 47 8
9. MỞ ĐẦU Trong nhiều thế kỷ qua, khoa học công nghệ đang tác động toàn diện đến mọi nền kinh tế, mọi chế độ xã hội trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ đƣợc xem là yếu tố quan trọng nhất, quyết định trực tiếp đến sự tăng năng suất, hiệu quả, chất lƣợng sản phẩm và thúc đẩy sự tăng trƣởng kinh tế. Trong các hƣớng công nghệ thì công nghệ vật liệu mới là một trong những hƣớng công nghệ cao đƣợc ƣu tiên hàng đầu. Sự phát hiện các chất liệu mới cho các ứng dụng công nghệ đã mở ra nhiều cánh cửa cho sự tiến bộ vƣợt bậc trong thế kỷ 20. Trong đó các vật liệu mới có từ tính đặc biệt đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử đã tạo ra một cuộc cách mạng về công nghệ thông tin. Ngày càng có nhiều những phát minh và sự tiến bộ của khoa học đƣợc công bố, từ những tài liệu đó các tính chất quan trọng của nhiều loại vật liệu mới đã đƣợc định hƣớng để ứng dụng vào những mục đích thực tế. Phƣơng pháp thực nghiệm có thể đƣa chúng ta đến một mục đích lớn hơn hiểu rõ một số tính chất sẵn có của chất vật liệu, đó là việc cải tiến vật liệu để có đƣợc các đặc tính vƣợt trội phục vụ cho ứng dụng mang đến tính cách mạng trong sự thúc đẩy sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ. Một vấn đề mà các nhà Vật lý thực nghiệm có nhiều hứng thú đó là việc tìm hiểu sự thay đổi các đặc tính của vật liệu dựa vào các thay đồi về thành phần, cấu trúc và các điều kiện công nghệ chế tạo . Vật liệu đơn pha sắt điện và đơn pha sắt từ đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của khoa học – công nghệ và đã đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển của xã hội loài ngƣời trong thế kỷ XX. Tuy nhiên, điện tử học kinh điển đã thể hiện một số mặt hạn chế, bất chấp đang đứng trƣớc những thách thức lớn cả về mặt nguyên lý vật lý và chi phí kinh tế để sản xuất linh kiện. Trong những năm gần đây, nhiều hiện tƣợng vật lý mới trong các các hệ vật liệu điện, từ có đặc trƣng kích thƣớc giới hạn đã mở ra khả năng phát triển hàng loạt các linh kiện điển tử có tính mới về căn bản. Tƣơng tác điện từ phức tạp và thách thức hơn khi trong vật liệu đa tính sắt (multiferroics) đồng thời tồn tại phân cực điện và phân cực từ, nghĩa là vật liệu đồng biểu hiện cả tính chất sắt từ và tính chất sắt điện. Sẽ có nhiều thiết bị tổ hợp ứng dụng những hiệu ứng lý thú của vật liệu multiferroics nhƣ: nguyên tố nhớ nhiều trạng 9
10. thái, thiết bị cộng hƣởng sắt từ điều khiển bởi điện trƣờng, bộ chuyển đổi module áp điện có tính chất từ. Vật liệu multiferroics trở thành đối tƣợng quan tâm thu hút không chỉ vì tính phức tạp và lý thú về bản chất vật lý của chúng mà còn thu hút vì khả năng thu nhỏ linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc hoạt động và mở ra khả năng chế tạo các linh kiện tổ hợp nhiều chức năng trên cùng một chip. Vì những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu multiferroics ngày càng đƣợc quan tâm và nghiên cứu một cách mạnh mẽ. Chính vì, vậy tôi chọn đề tài“ Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu La2NiO4” làm đề tài cho luận văn với mong muốn đƣợc hiểu biết thêm về loại vật liệu mới này. 10