Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang, điện, từ của vật liệu bifeo3 pha tạp ion eu3+

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC  - ĐỖ MINH TÂN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG, ĐIỆN, TỪ CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 PHA TẠP ION Eu3+ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2022 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC  - ĐỖ MINH TÂN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG, ĐIỆN, TỪ CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 PHA TẠP ION Eu3+ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: TS Chu Thị Anh Xuân TS Phạm Trường Thọ THÁI NGUYÊN - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn thu trình thực luận văn học viên hướng dẫn trực tiếp cán hướng dẫn Các số liệu, kết trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Đỗ Minh Tân ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cô TS Chu Thị Anh Xuân TS Phạm Trường Thọ - Hai người Thầy tận tình hướng dẫn truyền cho tơi kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học suốt trình hồn thành luận văn Tơi xin chân trọng cảm ơn Thầy, Cô giáo Viện Khoa học & Cơng nghệ cán bộ, nhân viên phịng Đào Tạo Sau Đại Học - Trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Ngun ln nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho suốt q trình học tập trường Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, thầy cô giáo Trường TH&THCS Vũ Lễ nơi công tác tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa học Xin chân thành cảm ơn anh, chị bạn học viên lớp Cao học Quang học K14 Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên động viên, giúp đỡ nhiệt tình chia sẻ với tơi kinh nghiệm học tập, cơng tác suốt khố học Cuối tơi xin cảm ơn tới gia đình người thân người bên cạnh ủng hộ, động viên để tơi hồn thành khóa học Mặc dù có nhiều cố gắng, song hạn hẹp thời gian, điều kiện nghiên cứu trình độ, luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết Tôi mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo đồng nghiệp Thái Nguyên, ngày 22 tháng năm 2022 Học viên iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .4 1.1 Tình hình nghiên cứu hệ vật liệu oxit .4 1.1.1 Vật liệu oxit sắt điện 1.1.2 Vật liệu oxit sắt từ .5 1.1.3 Vật liệu siêu dẫn 1.1.4 Vật liệu đa pha điện từ (Multiferroic) .6 1.1.5 Hiệu ứng điện – từ 1.3 Vật liệu BiFeO3 1.3.1 Cấu trúc tinh thể BiFeO3 10 1.3.2 Một số tính chất vật liệu BiFeO3 12 1.3.3 Ảnh hưởng ion tạp chất lên tính chất hệ vật liệu BiFeO3 16 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 21 2.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu 21 2.2 Một số phép đo khảo sát cấu trúc tinh thể tính chất vật liệu 23 2.2.1 Phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 23 2.2.2 Ảnh chụp bề mặt hiển vi điện tử quét (SEM) 24 2.2.3 Phép đo tính chất từ hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) 25 2.2.5 Phép đo quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 26 2.2.6 Phương pháp đo phổ phát quang 27 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Kết phân tích cấu trúc tinh thể ảnh bề mặt SEM vật liệu 29 iv 3.2 Tính chất từ hệ vật liệu Bi1-xEuxFeO3 (x = 0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18 0,2) 34 3.3 Kết khảo sát tính chất quang hệ vật liệu Bi1-xEuxFeO3 (x = 0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18 0,2) 38 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BFO BiFeO3 BEuFO Bi1-xEuxFeO3 TC Nhiệt độ Curie TN Nhiệt độ Neel P Độ phân cực MS Từ độ bão hòa E Trường điện H Trường từ HC Lực kháng từ r Hằng số điện môi tương đối D-M Tương tác trao đổi Dzyaloshinskii – Moriya SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X PL Quang phổ phát xạ FTIR Phổ biến đổi hồng ngoại Fourier VSM Từ kế mẫu rung vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số hợp chất oxit từ tính chứa nguyên tố kim loại chuyển tiếp với giá trị nhiệt độ chuyển pha Curie sắt từ Bảng Một số vật liệu multiferroic điển hình đặc trưng tương ứng [15] P: Độ phân cực; TC: Nhiệt độ chuyển pha sắt điện; TN: Nhiệt độ chuyển pha từ Bảng 1.3 Các tham số cấu trúc trực thoi (R3C) tinh thể BiFeO3 [21] .11 Bảng 3.1 Tỉ lệ phần trăm pha cấu trúc đồng tồn mẫu BEuFO với nồng độ pha tạp Eu khác 30 Bảng 3.2 Giá trị độ từ dư Mr lực kháng từ HC xác định từ đường cong M(H) mẫu BEuFO .36 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân loại oxit multiferroics theo tính chất cảm ứng chúng điện trường từ trường .6 Hình 1.2 Mơ hình đơn vị kép trong vật liệu BFO tạo từ nghiêng hốc bát diện dọc theo hướng [111]p .10 Hình 1.3 Phổ kích thích huỳnh quang mẫu BFO pha tạp 20% Eu3+ với bước sóng phát xạ 620 nm đo nhiệt độ phòng 12 Hình 1.4 Trật tự AFM loại G ion Fe3+ tinh thể BiFeO3 13 Hình 1.5 Chu trình từ trễ BFO đơn pha tinh thể nhiệt độ phòng 14 Hình 1.6 Mật độ trạng thái BFO theo phương pháp phiếm hàm 15 Hình 2.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu theo phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống 21 Hình 2.2 Giản đồ mơ tả q trình (a) nung sơ (b) nung thiêu kết 22 Hình 2.3 Cơ chế nhiễu xạ tia X mạng tinh thể vật rắn tuân theo định luật nhiễu xạ Bragg 23 Hình 2.4 Sơ đồ tín hiệu nhận từ mẫu trình chụp ảnh bề mặt EM 25 Hình 2.5 (a) Sơ đồ minh họa cho phép đo từ kế mẫu rung (VSM); (b) Loop từ trễ M(H) xác định từ phép đo VSM .26 Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động máy quang phổ hồng ngoại FTIR .27 Hình 2.7 Sơ đồ hoạt động hệ đo huỳnh quang thông thường .28 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Bi1-xEuxFeO3 (x = 0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18; 0,2) đo nhiệt độ phòng 29 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điển hình với x = 0,1; 0,16 0,2 theo phương pháp Rietveld 30 Hình 3.3 Phổ tán xạ Raman tất mẫu BEuFO bước sóng kích thích 532 nm 33 Hình 3.4 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM mẫu bột BEuFO với nồng độ pha tạp Eu x = 0,1 – 0,2 .34 Hình 3.5 Đường cong từ trễ M(H) mẫu BEuFO đo nhiệt độ phòng 35 viii Hình 3.6 Đường cong từ trễ M(H) theo thời gian sau thiêu kết mẫu BEuFO đo TP .37 Hình 3.7 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier mẫu BEuFO với nồng độ pha tạp Eu: 0,1≤ x ≤0,2 .39 Hình 3.8 Phổ huỳnh quang mẫu BEuFO với nồng độ pha tạp Eu: 0,1≤ x ≤0,2 41 Hình 3.9 Phổ huỳnh quang mẫu BEuFO (a) dải phát xạ bờ vùng BFO (b) dải phát xạ ion Eu3+ 42 Hình 3.10 Phổ kích thích huỳnh quang mẫu BFO pha tạp 20% Eu3+ với bước sóng phát xạ 620 nm đo nhiệt độ phòng 44 Hình 3.11 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ Eu3+ mẫu BEuFO vị trí bước sóng khác .45 47 KẾT LUẬN Luận văn thu kết sau: Đã chế tạo thành công hệ vật liệu Bi1-xEuxFeO3 (x = 0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18 0,2) phương pháp phản ứng pha rắn Kết phân tích giản đồ XRD Rietveld cho thấy tượng chuyển pha cấu trúc từ dạng trực thoi R3C sang trực giao Pmna xuất dải nồng độ rộng ion pha tạp Eu3+ từ x = 0,1 đến x = 0,2 Phổ tán xạ Raman ghi nhận đỉnh đặc trưng nhóm đối xứng Pnma chiếm ưu dần x tăng, chứng tỏ gia tăng pha cấu trúc trực giao suy giảm cấu trúc trực thoi mẫu BEuFO theo nồng độ Eu3+ Tính chất sắt từ yếu hệ vật liệu BEuFO tăng cường nồng độ pha tạp Eu tăng cho đóng góp chủ yếu hiệu ứng tự chuyển pha cấu trúc tạo trật tự sắt từ vùng biên Phân tích phổ FTIR tất mẫu cho thấy xuất đỉnh hấp thụ tương ứng đặc trưng cho mode dao động kéo dãn liên kết Fe-O ~486 cm-1, mode dao động uốn cong liên kết O-Fe-O ~557 cm-1 mode dao động liên kết Bi(Eu)-O ~691 cm-1 xác nhận tồn cấu trúc perovskite tất mẫu BEuFO Phân tích phổ huỳnh quang hệ vật liệu BEuFO chứng tỏ trường tinh thể vật liệu BFO ảnh hưởng lớn đến tính chất phát xạ ion đất Eu3+ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chu Y H., Wang W C., Liao S C., Y Liu, Liang W I (2014), J Mater Chem C, Vol 2, pp 811–815 [2] Kim D K., Raju N R C., Patro L N., Ramesh G., Bharathi K K (2015), Mater Res Bull., Vol 62, pp 5-10 [3] Lee T K., Sung K D., Jung J H (2015), J Alloy Compd., Vol 622, pp 734–737 [4] Chen J., Li T., Dai H Y., Chen Z P., Xue R Z (2014), Ceram Int., Vol 40, pp 15617–15622 [5] Ren H J., Liu W L., Dong G H., Luo Y Y., Tan G Q (2015), J Alloy Compd., Vol 623, pp 243–247 [6] Pal M., Thanh N T K., Green L A W., Basu S., Mukherjee A (2015), J Mater Sci., Vol 50, pp 1891–1900 [7] Somiya S and Aldinger F (2009), Handbook of Advanced Ceramics: Processing and their applications, Vol 2, Elsevier Academic Press [8] Somiya S and Aldinger F (2009), Handbook of Advanced Ceramics: Processing and their applications, Vol 3, Elsevier Academic Press [9] Ibach H and Luth H (2009), Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science, th, Springer Dordrecht Heildberg London New York [10] Wang K F., Liu J M., Ren Z F (2009), Advances in Physics, Vol 58(4), pp 321-448 [11] Scott (2009), Nature Reviews, pp 442-759 [12] Zhou W., Deng H., Cao H., He J., Liu J., Yang P., Chu J (2015), Materials letters, Vol 144, pp 93-96 [13] Kumar M., Yadav K L., Varma G D (2008), Materials Letters, Vol 62, pp 1159–116 49 [14] Francielli C M., Paloma de J C., Vitor S K., Joao F H L M., Sergio T F (2018), Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol 367, pp 390-396 [15] Mazumder R., Sujatha Devi P., Bhattacharyaa D., Choudhury P., Sen A (2007), Appl Phys Lett , Vol 91, 062510 [16] Lebeugle et al (2007), Nature Reviews - Physical Review B., Vol 76, 024116 [17] Ravindran P., Vidya R., Kjekshus A., Fjellvåg H (2006), Physical review B, Vol 74, 224412 [18] Thi Ngoc Lam Tran, Alessandro Chiasera, Anna Lukowiak, and Maurizio Ferrari (2022), Materials, Vol 15, pp 1847 (1-11) [19] Tien D T , Son N M (2020), Hue University Journal of Science: Natural Sciences, Vol 129(1A), pp 79–86 [20] Liu J., Fang L., Zheng F., Ju S., and Shen M (2009), Applied Physics Letters, Vol 13, 022511 [21] Sakar Mohan, Balakumar Subramanian, Indranil Bhaumik, Pradeep Kumar Gupta, Sellamuthu N Jaisankar (2014), RSC Advances, Vol 4, pp 6871-16878 [22] Kumar M., Chandra Sati P., Chhoker S., Sajal V (2015), Ceramics International, Vol 41(1), pp 777–786 [23] Gautam A., Singh K., Sen K., Kotnala R.K., Singh M (2011), Materials Letter, Vol 65(4), pp 591-594 [24] Tripathy S N., Pradhan D K., Mishra K K., Sen S., Palai R., Paulch M., Scott J F., R.S Katiyar, Pradhan D K (2015) , J Appl Phys., Vol 117, 144103 [25] Hlinka J., Pokorny J., Karimi S., Reaney I M (2011), Phys Rev B, Vol 83 020101 50 [26] Phong P T., Thoan N H., N T M Hong, N V Hao, L T Ha, T N Bach, T D Thanh, C T A Xuan, N V Quang, N V Dang, T A Ho, Tho P T (2020), J Alloy Compd., Vol 813, 152245 [27] Tho P T., Kim D H., Phan T L., Dang N V., Lee B W (2018), J Magn Magn Mater., Vol 462, pp 172–177 [28] Tho P T., Dang N V., Nghia N X., Khiem L H., Xuan C T A., Kim H S., Lee B W (2018), J Phys Chem Solids, Vol 121, pp 157–162 [29] Liu T., Xu Y., Feng S., Zhao J (2011), Journal of the American Ceramic Society, Vol 94(9), 3060 [30] Bajpai O P., Kamdi J B., Selvakumar M., Ram S., D Khastgir, S Chattopadhyay (2014), eXPRESS Polymer Letters, Vol 8(9), pp 669– 681 [31] Gaikwad V M.; Acharya S A (2013), Journal of Applied Physics, Vol 114(19), 193901 [32] Moubah R.; Schmerber G.; Rousseau O.; Colson D.; Viret M (2012), Appl Phys Express, Vol 5, 035802 CONG HoA xA HOI CHU NGHiA VIET NAM DQc lAp - Tu.'do - Hgnh phfc DAI HQC THAI NGUYEN TRUONG DAI HOC KHOA H OC so 146f nsrut-or V/v giao nhiQm vp kj xric nh6n bAn gidi trinh sria chta, bO sung luAn vdn thac si cta hoc vi6n cao hoc Thdi NguyAn, n thcing 10 ndm 2021 Kinh gti: Cric Khoa,A/iQn c6 dao tAo trinh tl6 thac si Cin cri vho Didu cta Quy dinh tam thdi ,6 nhigm qr, quydn han cta Dqi hqc Th6i Nguy6n vd c6c don vl thdnh vi€n tuy6n sinh vd qu6n l! tlio tao trinh d6 sau