Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu nano đa pha sắt điện sắt từ cofe2o4 batio3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHÃO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO ĐA PHA SẮT ĐIỆN/SẮT TỪ - 𝑪𝒐𝑭𝒆𝟐𝑶𝟒/𝑩𝒂𝑻𝒊𝑶𝟑 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHÃO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO ĐA PHA SẮT ĐIỆN/ SẮT TỪ - 𝑪𝒐𝑭𝒆𝟐𝑶𝟒/𝑩𝒂𝑻𝒊𝑶𝟑 Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: 8440126.01QTD LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Người hướng dẫn khoa học: TS Hồ Thị Anh TS Nguyễn Thị Minh Hồng HÀ NỘI - 2020 LỜI CÃM ƠN Lời cho phép tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành lời cảm ơn sâu sắc tới hai giảng viên hướng dẫn đề tài luận văn thạc sĩ: TS Hồ Thị Anh TS Nguyễn Thị Minh Hồng (Khoa Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học Công Nghệ ĐHQGHN) Hai Cô truyền cho niềm đam mê học tập nghiên cứu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành Luận văn tốt nghiệp Hai Cô không trang bị cho tơi kiến thức bổ ích chun mơn khoa học mà cách tư duy, cách làm việc có hệ thống, hiệu kinh nghiệm sống Ngồi ra, tơi xin trân trọng cảm ơn tồn thể q Thầy, Cơ Anh, Chị công tác Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội giảng dạy, dìu dắt cung cấp cho tơi tư tảng khoa học từ kiến thức đến chun sâu giúp tơi hồn thành luận văn Đặc biệt muốn gửi lời cảm ơn, tình cảm yêu thương đến gia đình, bạn bè, người thân chỗ dựa tinh thần vững giúp tơi vượt qua khó khăn, cổ vũ động viên tơi hồn thành luận văn ủng hộ theo đuổi đam mê khoa học Luận văn thực với hỗ trợ chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ nước Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup Luận văn hỗ trợ phần đề tài Trung tâm hỗ trợ nghiên cứu Châu Á Quỹ Giáo dục cao học Hàn Quốc (mã số đề tài CA.19.05A, hợp đồng số 05/2019/HĐĐT), ĐHQGHN Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc Gia (Nafosted) đề tài mã số 103.02-2018.357 Một lần xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Ngọc Huyền i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Hồ Thị Anh TS Nguyễn Thị Minh Hồng hỗ trợ nhóm nghiên cứu khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano, trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Các kết đưa luận văn thực Các thông tin, tài liệu tham khảo từ nguồn sách, tạp chí, báo sử dụng luận văn liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường lời cam đoan Học viên thực Nguyễn Ngọc Huyền ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu ferit spinel 1.1.1 Cấu trúc tinh thể, tính chất ứng dụng ferit spinel .5 1.1.1.1 Cấu trúc tinh thể 1.1.1.2 Tính chất ứng dụng ferit spinel 1.1.2 Ferit spinel CoFe2O4 1.1.2.1 Cấu trúc tinh thể, tính chất ứng dụng CoFe2O4 1.1.2.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu CoFe2O4 10 1.2 Vật liệu sắt điện 12 1.2.1 Một số đặc trưng vật liệu sắt điện 12 1.2.1.1 Độ phân cực tự phát 14 1.2.1.2 Sự phân cực perovskite sắt điện 15 1.2.1.3 Hiện tượng điện trễ - Cấu trúc đô men 17 1.2.1.4 Vật liệu gốm có cấu trúc perovskite 20 1.2.2 Vật liệu BaTiO3 23 1.2.2.1 Cấu trúc tinh thể BaTiO3 .23 1.2.2.2 Ứng dụng .26 1.3 Vật liệu đa pha sắt (Multiferroic) 28 1.3.1 Vật liệu tổ hợp đơn pha 29 iii 1.3.2 Vật liệu tổ hợp đa pha 31 1.4 Kết luận chương 32 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 33 2.1 Phương pháp chế tạo mẫu, hóa chất dụng cụ thí nghiệm .33 2.1.1 Phương pháp thủy nhiệt .33 2.1.2 Hóa chất .34 2.1.3 Dụng cụ thiết bị 35 2.2 Quy trình chế tạo mẫu 36 2.2.1 Vật liệu sắt từ CoFe2O4 (CFO) .36 2.2.2 Vật liệu sắt điện BaTiO3 (BTO) .37 2.2.3 Vật liệu tổ hợp đa pha sắt CoFe2O4/BaTiO3 (CFO/BTO) .38 2.3 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể, cấu trúc vi mơ tính chất vật liệu 39 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 39 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) 41 2.3.3 Phương pháp đo từ kế mẫu rung 43 2.3.4 Phương pháp xác định thông số vật liệu sắt điện 45 CHƯƠNG KẾT QUÃ VÀ THÃO LUẬN 46 3.1 Vật liệu sắt từ CFO 46 3.1.1 Ảnh hưởng tỷ lệ mol Co2+:Fe3+ 46 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng .49 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng .52 3.2 Vật liệu sắt điện BTO 56 3.2.1 Cấu trúc tinh thể 57 3.2.2 Cấu trúc vi mô .58 3.2.3 Tính chất sắt điện 58 iv 3.3 Chế tạo vật liệu tổ hợp đa pha sắt CFO/BTO .59 3.3.1 Cấu trúc tinh thể 59 3.3.2 Cấu trúc vi mô .61 3.3.3 Tính chất sắt từ 62 3.3.4 Tính chất sắt điện 64 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHÃO 69 v DANH MỤC HÌNH ÃNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ferit spinel [68] .5 Hình 1.2 Đường cong từ trễ (B-H) ferit từ cứng [35] .8 Hình 1.3 Hình ảnh ổ đĩa cứng lưu trữ thơng tin [35] Hình 1.4 Đường cong điện trễ số gốm sắt điện điện hình: (A) thuận điện, (B) sắt điện, (C) relaxor, (D) phản sắt điện [35] 12 Hình 1.5 Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể vật liệu sắt điện BaTiO3 với tâm điện tích âm dương không trùng 15 Hình 1.6 Pha cấu trúc phân cực tự phát BaTiO3 16 Hình 1.7 Chu trình điện trễ (P-E) vật liệu sắt điện 17 Hình 1.8 Sự hình thành vách 180°(a) vách 90°(b) vật liệu sắt điện perovskite có cấu trúc tứ giác 19 Hình 1.9 Quá trình phân cực vật liệu sắt điện 20 Hình 1.10 Cấu trúc tinh thể vật liệu sắt điện cấu trúc Perovskite (ABO3) .21 Hình 1.11 Sự phụ thuộc cấu trúc vật liệu BaTiO3 vào nhiệt độ 23 Hình 1.12 Sự biến thiên độ phân cực tự phát theo nhiệt độ 24 Hình 1.13 Sự chuyển pha cấu trúc tinh thể BaTiO3 nhiệt độ 25 Hình 1.14 Hố kép 25 Hình 1.15 Vật liệu multiferroic .28 Hình 1.16 Cấu trúc perovskite 30 Hình 1.17 Cấu trúc perovskite YmnO3 [40] 30 Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu sắt từ CFO 36 Hình 2.2 Quy trình chế tạo vật liệu sắt điện BTO 37 Hình 2.3 Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp đa pha sắt CFO/BTO 38 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý phương pháp nhiễu xạ tia X 39 Hình 2.5 Sự tán xạ chùm tia X mặt phẳng tinh thể 40 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét SEM 42 vi Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ kế mẫu rung 44 Hình 2.8 Thiết bị đo từ kế mẫu rung .44 Hình 3.1 Giản đồ XRD số mẫu CFO với tỷ lệ Co2+:Fe3+ khác tổng hợp 150℃ thời gian 47 Hình 3.2 VSM mẫu CFO tổng hợp với nồng độ khác .48 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu CFO tổng hợp nhiệt độ khác thời gian tỉ lệ mol Co2+:Fe3+ = 1:2,2 50 Hình 3.4 VSM mẫu CFO tổng hợp với tỷ lệ mol Co2+:Fe3+ 1:2,2 thời gian nhiệt độ khác 51 Hình 3.5 Giản đồ XRD số mẫu CFO tổng hợp thời gian khác 150℃ với tỷ lệ mol Co2+:Fe3+ = 1:2,2 .52 Hình 3.6 VSM số mẫu CFO tổng hợp 150℃ với tỉ lệ mol Co2+:Fe3+ = 1:2,2 thời gian phản ứng thay đổi 53 Hình 3.7 Ảnh FE-SEM mẫu CFO với tỉ lệ mol Co2+:Fe3+= 1:2,2 chế tạo nhiệt độ 150℃ thời gian .55 Hình 3.8 Giản đồ XRD vật liệu sắt điện BTO chế tạo với tỉ lệ mol Ba2+/Ti3+ = 1.6 nhiệt độ 150℃ thời gian 57 Hình 3.9 Ảnh FE-SEM hạt BTO chế tạo với tỉ lệ mol Ba2+/Ti3+ = 1.6 nhiệt độ 150℃ thời gian .58 Hình 3.10 Đường cong điện trễ mẫu BTO chế tạo với tỉ lệ mol Ba2+/Ti3+ = 1.6 nhiệt độ 150℃ thời gian 59 Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu CFO, BTO vật liệu tổ hợp đa pha sắt xCFO/(1-x)BTO với x=0.6 60 Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu tổ hợp xCFO/(1-x)BTO với x 0.2; 0.3; 0.4; 0.5 0.6 .60 Hình 3.13 Ảnh FE-SEM số vật liệu tổ hợp xCFO/(1-x)BTO với 61 Hình 3.14 VSM mẫu tổ hợp đa pha sắt xCFO/(1-x)BTO .62 Hình 3.15 VSM mẫu CFO mẫu xCFO/(1-x)BTO với x = 0.6 63 vii Hình 3.16 Đường cong điện trễ số vật liệu tổ hợp đa pha sắt cấu trúc xCFO/(1-x)BTO với a) x = 0.2, b) x = 0.3, c) x = 0.5 d) x = 0.6 64 Hình 17 Dòng rò theo thời gian số mẫu vật liệu tổ hợp cấu trúc xCFO/(1x)BTO với a) x = 0.2, b) x = 0.3, c) x = 0.5 d) x = 0.6 .65 vii ... điện từ vật liệu đa pha sắt tổ hợp lớn vài bậc so với vật liệu đa pha sắt đơn pha Các nghiên cứu vật liệu đa pha sắt loại tổ hợp ban đầu thường tập trung vào vật liệu khối, hai pha sắt điện sắt từ. .. vật liệu đa pha sắt đơn pha Bằng cách tổ hợp vật liệu có tính áp điện với vật liệu có tính từ giảo người ta tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp sắt điện - sắt từ có ưu điểm hai pha vật liệu Trong nghiên. .. chế độ nung, tạo điện cực tốt Đặc biệt, việc tổ hợp hai vật liệu nano perovskite sắt điện vật liệu từ tính tạo hệ vật liệu đa pha sắt điện- sắt từ (multiferroic) Vì vậy, tơi lựa chọn nghiên cứu