Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu Nano nền BaTiO3

Nội dung tài liệu: Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu Nano nền BaTiO3

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HẠNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO NỀN BaTiO3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HẠNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO NỀN BaTiO3 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỞI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - 2014
3. Lời cảm ơn Trước hết, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất của mình tới Thầy giáo: TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh. Người thầy đã ân cần dạy bảo, tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn vừa qua. Nếu không có những lời hướng dẫn của thầy, em nghĩ bài luận văn này của em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy. Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy - cô giáo đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong thời gian học tập và rèn luyện tại trường. Em cũng xin gửi tới các thầy – cô trong ban giám hiệu nhà trường cũng như toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Vật Lý cùng thể các cán bộ, nghiên cứu sinh, sinh viên Bộ môn Vật lý chất rắn; Phòng Hóa lý – Khoa Hóa – Trường ĐH Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hướng dẫn giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này với sự biết ơn và lòng kính trọng nhất. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2014 Học viên: Nguyễn Thị Hạnh
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh. Các số liệu và kết quả trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không có bất cứ sao chép nào từ các công bố của người khác mà không có trích dẫn trong mục tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hạnh
5. DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên Tiếng Việt AB03 Vật liệu perovskite Góc therta T Nhiệt độ CMR Colossal magnetoresistance – Từ trở khổng lồ O Oxi C Nguyên tố Cacbon Năng lƣợng cùng cấm nm Nano met N Nguyên tố Nitơ Ba Nguyên tố Bari Ca Nguyên tố Canxi Ce Nguyên tố Xeri Y Nguyên tố Yttri Sr Nguyên tố Stronti Ti Nguyên tố Titan La Nguyên tố Lantan EDS Tán sắc năng lƣợng SEM Kính hiển vi điện tử quét XRD Nhiễu xa tia X K Nguyên tố Kali PTC Hiệu ứng hệ số nhiệt điện trở dƣơng ( Posistive thermoresistivity coefficient) PZT Vật liệu PbZr1-xTiO3 KDP Hợp chất KH2PO4 VRH Mô hình bƣớc nhảy biến đổi P, P Véctơ phân cực và độ lớn của nó. W Năng lƣợng kích hoạt cho quá trình nhảy của điện tử
6. V(r) Thế năng tƣơng tác của điện tử Tc Nhiệt độ chuyển pha Curie E, E Véctơ cƣờng độ điện trƣờng và độ lớn của nó Ea Năng lƣợng kích hoạt đối với điện tử dẫn I Cƣờng độ dòng điện U Hiệu điện thế R Điện trở Z , Z’, Z” Tổng trở, phần thực của tổng trở, phần ảo của tổng trở kB Hằng số Boltzmann rP Bán kính Polaron ω Tần số góc τ Thời gian hồi phục ε , ε’, εr , εr’ Phần thực của hằng số điện môi tƣơng đối/độ thẩm điện môi tƣơng đối ε0 Độ thẩm điện môi chân không ρ Điện trở suất σ Độ dẫn điện υ Chiều cao hàng rào thế
7. DANH MỤC HÌNH ẢNH Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 : Cấu trúc Perovskite lý tƣởng 4 Hình 1.2: a, Năng lƣợng tƣơng tác giữa các ion B4+ và O2- nhƣ hàm của khoảng cách R giữa các ion. 7 b, Sự tạo thành giếng thế kép trong mạng ion perovskite sắt điện. Hình 1.3 : Pha cấu trúc và độ phân cực tự phát của BaTiO3 8 Hình 1.4: Độ phân cực tự phát và các pha cấu trúc khác nhau của BaTiO3 9 Hình 1.5: a, Đƣờng trễ sắt điện b, Đƣờng trễ sắt điện của một tinh thể đơn 10 moomen (nét đứt) và của mẫu đa mômen( nét liền). Hình 1.6: Mô hình cấu trúc Đômen và vách Đômen trong vật liệu sắt điện 11 Hình 1.7: Hằng số điêṇ môi phu ̣thuôc̣ vào nhiêṭ đô ̣của BaTiO 3 13 εa : Độ thẩm điện môi ứng với trƣờng đƣợc đặt dọc theo trục a, b. εc : Độ thẩm điện môi ứng với điện trƣờng đƣợc đặt dọc theo trục c. Hình 1.8: Hiệu ứng PTC trong vật liệu BaTiO3 pha tạp điện 14 Hình 2.1: Giản đồ thời gian của quá trình nung thiêu kết. 19 Hình 2.2. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 20 Hình 2.3: Nhiễu xạ kế tia X Brucker D5005 (Đức) – Khoa Vật lý, Trƣờng đại 21 học Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN. Hình 2.4. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét SEM 22 Hình 2.5: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), NanoSEM 450. 23 Hình 2.6: Giản đồ vectơ của tổng trở Z 26 Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu chế tạo 27 Hình 3.2: Cấu trúc bề mặt của mẫu chế tạo 28 Hình 3.3 : Đƣờng cong ε (T) của BaTiO3 pha tạp 1% La ( f = 1kHz) 29 Hình 3.4 : Đƣờng cong ε(T) của BaTiO3 pha tạp 2% La ( f = 1kHz) 30 Hình 3.5 : Đƣờng cong ε(T) của BaTiO3 pha tạp 3% La ( f = 1kHz) 30
8. Hình 3.6 : Đƣờng cong ε(T) của BaTiO3 pha tạp 4% La ( f = 1kHz) 31 Hình 3.7 : Đƣờng cong ε(T) của BaTiO3 pha tạp 5% La ( f = 1kHz) 31 Hình 3.8: Đƣờng cong Cole – Cole của hệ mẫu BaTiO3 pha tạp La. 33 Hình 3.9: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 không pha tạp La nung thiêu 35 kết ở 1250 oC trong 4h. Hình 3.10: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 pha tạp La 1% nung thiêu 36 kết ở 1250 oC trong 4h. Hình 3.11: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 pha tạp La 2% nung thiêu 37 kết ở 1250 oC trong 4h. Hình 3.12: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 pha tạp La 3% nung thiêu 38 kết ở 1250 oC trong 4h. Hình 3.13: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 pha tạp La 4% nung thiêu 39 kết ở 1250 oC trong 4h. Hình 3.14: Kết quả phân tích EDS của mẫu BaTiO3 pha tạp La 5% nung thiêu 40 kết ở 1250 oC trong 4h.
9. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE SẮT ĐIỆN ...... 4 1.1. Tổng quan về Vật liệu Perovskite sắt điện ................................................. 4 1.2. Một số đặc trƣng của vật liệu sắt điện ....................................................... 5 1.2.1. Vật liệu perovskite sắt điện ..................................................................... 6 1.2.1.1. Đặc điểm của vật liệu perovskite sắt điện ............................................ 6 1.2.1.2. Độ phân cực tự phát ............................................................................. 6 1.2.1.3. Sự phân cực của perovskite sắt điện .................................................... 6 1.2.1.4. Hiện tƣợng điện trễ - Cấu trúc đômen (domain) .................................. 9 1.2.1.4.1. Hiện tƣợng điện trễ ........................................................................... 9 1.2.4.2. Cấu trúc đômen (domain) của vật liệu sắt điện ................................ 11 1.2.1.5. Điểm Curie và các chuyển pha trong vật liệu sắt điện ....................... 11 1.2.2. Hiệu ứng nhiệt điện trở dƣơng (PTC) trong vật liệu BaTiO3 pha tạp điện tử .............................................................................................................. 13 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ......................................... 16 2.1. Công nghệ chế tạo .................................................................................... 16 2.1.1. Quy trình chế tạo vật liệu: ..................................................................... 16 2.1.2. Ép và nung thiêu kết ............................................................................. 18 2.1.3. Gia công mẫu và phủ cực ...................................................................... 19 2.2. Các phƣơng pháp đo ................................................................................ 20 2.2.1. Nhiễu xạ kế tia X ( XRD) ..................................................................... 20 2.2.2. Kính hiển vi điên tử quét (SEM) ........................................................... 22 2.2.3. Phổ tán sắc năng lƣợng EDS ................................................................. 24 2.2.3. Hệ đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ ......................................................... 25 2.2.4. Hệ đo  (T,f) .......................................................................................... 25
10. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 27 3.1. Hệ mẫu ..................................................................................................... 27 3.2. Kết quả nhiễu xạ tia X .............................................................................. 27 3.3. Kết quả khảo sát cấu trúc bề mặt ............................................................. 28 3.4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ .................................... 29 3.5. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số của các mẫu .............................. 32 3.6. Thành phần hóa học (phổ EDS, PIXE và ICP-MS) ................................. 35 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 44