Báo cáo seminar cấu trúc perovskite của vật liệu ceramic ngô trương ngọc mai

AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Báo cáo seminar Trình bày: Ngơ Trương Ngọc Mai Bộ Mơn Cơng Nghệ Hóa Học 01-2011 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vật liệu ceramic gì? • Vật liệu vô phi kim loại (thành phần gồm vật chất có chứa oxy khơng chứa oxy): khoáng vật silicate, ZrSiO4, Al2O3, ZrO2, SiO2, SiC, SiN, BaTiO3, … • Sản xuất phương pháp nung kết khối nhiệt độ cao (gốm sứ) nấu chảy (thủy tinh) AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bi nghiền oxit nhơm Khống vật corundum thơ (oxit nhơm) Chi tiết máy zirconia Corundum sau gia công3 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phân loại Vật liệu ceramic: - Truyền thống (traditional ceramics) - Kỹ thuật (industrial ceramics) Vật liệu ceramic kỹ thuật: - Cấu trúc/kết cấu (structural ceramics) - Chức (functional ceramics) Cấu trúc phổ biến functional ceramics PEROVSKITE! AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lịch sử phát perovskite Cấu trúc perovskite Tính chất perovskite Các phương pháp sản xuất Các nghiên cứu ứng dụng quan trọng AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com • Perovskite tên gọi chung vật liệu có cấu trúc tương tự khống vật CaTiO3 • Khoáng perovskite nghiên cứu phát lần vùng núi Uran Nga Gustav Rose vào năm 1839 đặt tên theo nhà khoáng vật học L.A Perovski (1792-1856) • Có nhiều dạng khoáng vật tự nhiên vùng núi Uran Thụy Sĩ, … • Cấu trúc quan tâm nghiên cứu đa dạng tính chất nhiệt độ khác • Perovskite trái tim vật lý chất rắn (nhà vật lý người Ấn Độ Rao) AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Cubic SrTiO3 0,1 0,1 1/2 1/2 0,1 B site 1/2 0,1 0,1 0,1 1/2 0,1 (a) Oxygen A site 1/2 0,1 (b) ABO3 - SrTiO3 (c) AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Cubic SrTiO3 Ti O Bát diện BO6 (TiO6) Số phối trí B (Ti): ABO3 Sr (tại lỗ hổng bát diện) Số phối trí A (Sr): 12 Ỉ rA ~ rO, rA > rB , tổng điện tích cation A B = AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Đơn giản phức tạp -Đơn giản: ABO3 Loại perovskite Hóa trị cation A Ví dụ A Hóa trị cation B Ví dụ B Hợp chất ABO3 2, 4Phổ biến, quan trọng Ba2+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Cd2+, Ni2+, Sr2+, Pb2+ Ti4+, Mn4+, Ce4+, Sn4+, Zr4+ CaTiO3, BaTiO3, SrMnO3, PbZrO3, PbTiO3 Vật liệu sắt điện 3, 3- La3+, Y3+, Gd3+, Nd3+, Bi3+ Sc3+, Fe3+, Ga3+, Ni3+, Fe3+, LaNiO3, YFeO3, LaAlO3 1, 5Quan trọng thứ hai K+ , Na+ Mn5+, Nb5+, Ta5+ KNbO3, KTaO3 Vật liệu hỏa điện quang điện -Phức tạp: A: 2+, B: hỗn hợp vài cation có tổng hóa trị -Vd: (3+ + 5+)/2=4+; (1x2+ +2x5+)/3=4+ AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phức tạp: hợp chất 1/2:1/2 1/3:2/3 -Hợp chất 1/2:1/2: A2B’B”O6 AB’1/2B”1/2O3 Loại ½: Hóa Hóa Ví dụ B’ Hóa Ví dụ ½ trị A trị B’ trị B” B” 3,5 Sc, Nd, La, Nb, Ta Y, Gd, In 2,6 2 Co, Sr, Mg W 1,7 Na, K Os Hợp chất Pb2ScTaO6, Ba2YTaO6 Pb2CoWO6 Ba2NaOsO6 Pb2ScTaO6 10 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyên tắc Lớp phủ dẫn điện Các hạt lơ lửng Màng chắn Lớp dán bảo vệ Thủy tinh Tắt-Mờ đục Mở-Trong suốt 29 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 30 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các loại kính thơng minh bật tắt Quang điện (electrochromic) Các hạt huyền phù (suspended particles) Tinh thể lỏng (liquid crystal) Micro-blinds 31 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kính quang điện (electrochromic) Thủy tinh Lớp màng quang điện Chất điện ly Điện cực Thủy tinh ITO: Indium Tin Oxide Nguồn điện Màng quang điện: hexacianoferrate, WO3 Điện cực: hệ CeO2-TiO2 32 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mơ tả lớp màng quang điện - Có tính đổi màu theo dòng điện (1 chiều: ~1V), thuận nghịch -Thành phần chính: WO3 - Cấu trúc: perovskite Cơ chế đổi màu WO3 + +xe- Ỉ HxWO3 mờ đục cách điện dẫn điện Tối Sáng ITO + e Nguồn cung cấp H+ WO3 - xH+ e ITO Đế thủy tinh 33 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giải thích WO3 + xH+ cách điện W: 4f145d46s2 W6+: 5d06s0 W5+: 5d16s0 +xe- Ỉ HxWO3 dẫn điện AxWO3 : ≤x ≤ 1, A: H+, Na+, K+, … Ax(Wx5+W1-x6+)O3 d1 d0 Ỉ W6+ trạng thái khơng chuyển tiếp (trơ) W5+: có e ngồi orbital d Ỉ có tính dẫn electron giống kim loại WO3 perovskite trống vị trí A Ỉ dễ dẫn ion A+ vào lỗ trống, đồng thời số oxy hóa W giảm từ +6 đến +5 34 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com So sánh: kính đổi màu truyền thống Z Trộn mạ lớp AgCl suốt Z AgCl hấp thụ lượng tia cực tím ánh sáng mặt trời, bị phân hủy thành hạt Ag nhỏ làm kính chuyển màu sậm nắng Z Độ sậm kính phụ thuộc vào cường độ tia cực tím Z Màu sắc kính phủ thêm lớp màu (xám, nâu, vàng, đỏ,…) Z Ưu điểm: Z Tiện lợi, không cần thay kính Z Ngăn ngừa tia cực tím hại mắt 35 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng kính thơng minh Z Kính mát: chống tia cực tím (Nikon) Z Kính bảo vệ vật (trong viện bảo tàng), máy bay Z Gương chống lóa (Schotts) Z Cửa kính nhà ở, tịa nhà văn phịng, bệnh viện (hệ thống NHS Anh quốc) Z Màn trình chiếu 36 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Gốm áp điện: piezoelectric ceramics * Hiệu ứng áp điện: tác dụng lực học, bề mặt vật liệu xuất phân cực điện xuất dòng điện * Đây hiệu ứng thuận nghịch •Vật liệu có tính áp điện cao: họ gốm PZT (lead zirconate titanate): PbTi1-xZnxO3, perovskite Pb 37 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng Phía pha rhombohedral: gia tốc kế, thiết bị chẩn đốn hình ảnh y khoa,… Phía pha tetragonal: ống nghe nước, microphone,, cảm biến, biến đổi siêu âm, quét, động (ổ đĩa máy tính, chức zoom ống kính điện thoại chụp ảnh…), … • Hiệu ứng áp điện cao bất thường vùng lân cận x=0,5 Ví dụ 53% PZ, 48% PT Vùng có chuyển pha tetragonal 38 rhombohedral AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chẩn đốn hình ảnh siêu âm Dịng điện Transducer (PZT) Xung phản xạ Tín hiệu điện Xung dao động Vào thể Trở kháng Hình ảnh quan nội tạng mơ bước sóng(λ) x tần số(f) = vận tốc sóng âm mơi trường(v) 1mm-50μm 1,5-30MHz 1500 m/s (trong thể người) Bước sóng nhỏ Ỉ độ sắc nét cao 39 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ứng dụng • Chẩn đốn siêu âm y khoa • Bật lửa, đánh lửa gas • Bộ chuyển đổi dịch chuyển • Gia tốc kế • Bộ biến áp điện • Đầu in kim •Cơ cấu truyền động 40 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt • Cấu trúc Perovskite nghiên cứu ứng dụng nhiều cho vật liệu ceramic chức (functional ceramics) • Dễ dàng thay đổi/điều chỉnh tính chất vật liệu có cấu trúc perovskite cách thay đổi thành phần, tỉ lệ kết hợp •Các tính chất ứng dụng nhiều nhất: tính sắt điện, hỏa điện, áp điện, từ tính, dẫn ion electron (BaTiO3, PZT, …) • Tính chất đặc biệt: tính siêu dẫn nhiệt độ cao 41 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com References Perovskite oxide for Solid Oxide Fuel Cells, T.Ishihara, Springer Science, LLC 2009 http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ferroelectrics/index.php http://www.morganelectroceramics.com J Kulawik, D Szwagierczak, B Groger Investigations of properties of ceramic materials with perovskite structure in chosen electronic applications, Bulletin of the Polish academy of sciences: Technical sciences, 55(3) 2007 Crystal structure and defect property predictions in Ceramic Materials, Thesis of Mark R Levy, Imperial College of Science, Technology and Medicine, 2005 42 AN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 43 ... (traditional ceramics) - Kỹ thuật (industrial ceramics) Vật liệu ceramic kỹ thuật: - Cấu trúc/ kết cấu (structural ceramics) - Chức (functional ceramics) Cấu trúc phổ biến functional ceramics PEROVSKITE! ... luanvanchat@agmail.com Tóm tắt • Cấu trúc Perovskite nghiên cứu ứng dụng nhiều cho vật liệu ceramic chức (functional ceramics) • Dễ dàng thay đổi/điều chỉnh tính chất vật liệu có cấu trúc perovskite. .. luanvanchat@agmail.com • Perovskite tên gọi chung vật liệu có cấu trúc tương tự khống vật CaTiO3 • Khống perovskite nghiên cứu phát lần vùng núi Uran Nga Gustav Rose vào năm 1839 đặt tên theo nhà khoáng vật học