(Luận văn thạc sĩ) chế tạo và khảo sát các đặc trưng điện môi, áp điện của hệ gốm không chì (k,na,li)(sb,nb)o3 (bi,na,k)zro3

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG THỊ THU THANH CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG ĐIỆN MÔI, ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM KHÔNG CHÌ (K,Na,Li)(Sb,Nb)O3–(Bi,Na,K)ZrO3 h Chuyên ngành : VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số : 8440104 Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đình Giớ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, thực phòng Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế hướng dẫn PGS.TS Phan Đình Giớ Các số liệu kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả luận văn Đặng Thị Thu Thanh h LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc đến thầy PGS.TS Phan Đình Giớ tận tình hướng dẫn truyền đạt cho nhiều kiến thức quý báu, giúp thực tốt đề tài luận văn Đồng thời, xin chân thành cảm ơn nghiên cứu sinh khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Huế tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm thực nghiệm đánh giá kết Tôi xin cảm ơn thầy cô bạn học viên khoa Vật lý trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn thạc sĩ Tơi xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, ngày 19 tháng 07 năm 2019 Kí tên h Đặng Thị Thu Thanh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan lý thuyết sắt điện 1.1.1 Vật liệu sắt điện 1.1.2 Cấu trúc perovskite 1.1.3 Các đặc trưng sắt điện thường sắt điện relaxo 1.2 Tổng quan đặc trưng điện môi, sắt điện áp điện hệ gốm h áp điện khơng chì sở KNN 10 1.2.1 Tiềm vật liệu áp điện khơng chứa chì 10 1.2.2 Vật liệu áp điện (KxNa1–x)NbO3 (0 < x < 1) 12 1.2.3 Các đặc trưng cấu trúc tính chất điện hệ gốm áp điện khơng chì sở KNN pha tạp 15 1.2.4 Ảnh hưởng BNKZ đến cấu trúc tính chất điện hệ gốm sở KNN 20 Chương CHẾ TẠO MẪU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BNKZ ĐẾN CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC CỦA HỆ GỐM (1-x)KNLSN–xBNKZ 24 2.1 Công nghệ chế tạo gốm 24 2.2 Kết khảo sát mật độ gốm 29 2.3 Ảnh hưởng BNKZ đến cấu trúc hệ gốm (1-x)KNLSN–xBNKZ 31 2.4 Ảnh hưởng BNKZ đến vi cấu trúc hệ gốm (1-x)KNLSN– xBNKZ 34 Chương NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN MƠI, SẮT ĐIỆN VÀ ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM (1-x)KNLSN–xBNKZ 36 3.1 Ảnh hưởng nồng độ BNKZ đến tính chất điện môi hệ gốm 36 3.1.1 Sự phụ thuộc số điện môi theo nồng độ BNKZ nhiệt độ phòng 36 3.1.2 Sự phụ thuộc số điện môi theo nhiệt độ 38 3.2 Ảnh hưởng nồng độ BNKZ đến tính chất áp điện hệ gốm 41 3.3 Tính chất sắt điện hệ gốm 47 KẾT LUẬN 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 h QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PZT : Chì Titanate Zirconate (Pb, Zr) TiO3 BNKT : Bi (K, Na) TiO3 KNN : Kali natri niobat (KxNa1–x)NbO3 (0 < x < 1) BT : Bari titanat BNT : bitmut natri titanat KNN – LT : K0.5Na0.5NbO3–LiTaO3 NN : Natri niobat NaNbO3 KN : Kali niobat KNbO3 MPB : Biên pha hình thái học PPT : Pha tứ giác LT : LiTaO3 h 0,96KNNTSx–0,04BNKZ : Hệ vật liệu 0,96(K0,48Na0,52)(Nb0,95–xTa0,05Sbx)O3– 0,04Bi0,5 (Na0,82K0,18)0,5ZrO3 XRD : Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X KNNS : K0,48Na0,52Nb0,95Sb0,05 BNKZ : Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5ZrO3 (1–x)KNLSN–xBNKZ : Hệ gốm (1–x)(K0,48Na0,48Li0,04)(Nb0,95Sb0,05)O3– xBi0,5(Na0,82K0,18)0,5ZrO3 KNLSN : (K0,48Na0,48Li0,04)(Nb0,95Sb0,05)O3 BNKZ : Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5ZrO3 SEM : Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét Tc : Nhiệt độ Curie (°C) Cs : Điện dung mẫu kp : Hệ số liên kết điện theo phương bán kính kt : Hệ số liên kết điện theo phương bề dày d33 : Hệ số áp điện theo phương ngang : Độ phân cực Ps : Độ phân cực tự phát E : Điện trường Ec : Điện trường kháng T : Thừa số xếp chặt Zm : Giá trị cực tiểu tổng trở  : Độ nhòe ε : Hằng số điện mơi  : Góc nhiễu xạ tgδ : Tổn hao điện môi  : Độ cảm điện Pr : Phân cực dư P–E : Đường trễ sắt điện U : Hiệu điện S : Diện tích bề mặt mẫu f : Tần số Co, C1, C2 : Tụ điện Rv : Biến trở Ts : Nhiệt độ thiêu kết εm : Hằng số điện môi cực đại Tm : Nhiệt độ tương ứng với số điện môi cực đại ξ : Biểu thị thông số khuếch tán Δ : Độ mở rộng khuếch tán D : Mật độ gốm d : Đường kính fs : Tần số cộng hưởng fp : Tần số phản cộng hưởng h P DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường cong điện trễ vật liệu sắt điện Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể họ perovskite ABO3 Hình 1.3 Các đặc trưng sắt điện thường sắt điện relaxo Hình 1.4 Các đa điện phối trí ion Na+/K+ Nb+ hệ tinh thể KNN 13 Hình 1.5 Mẫu XRD gốm 0,96KNNTSx–0,04BNKZ (a) = 20–60 , (b) = 44–47 mẫu XRD mở rộng gốm (c) x = 0,04 (d) x = 16 Hình 1.6 Sự phụ thuộc nhiệt độ số điện môi ( r) 150–200 oC 17 Hình 1.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ số điện môi ( r) 30–450 oC 18 Hình 1.8 a) Sự phụ thuộc r tổn hao tan vào nồng độ Sb (b) Các h đường trễ sắt điện hệ gốm 0,96KNNTSx–0,04BNKZ 19 Hình 1.9 Sự phụ thuộc hệ số áp điện d33và hệ số kp vào nồng độ Sb 20 Hình 1.10 Sự phụ thuộc nhiệt độ tính chất điện môi gốm (a) 0BNKZ, (b) 2BNKZ, (c) 4BNKZ (d) 5BNKZ đo tần số từ đến 100 kHz 21 Hình 1.11 (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X gốm 0BNKZ, 2BNKZ 4BNKZ 222 Hình 1.12 Các đường trễ P–E mẫu gốm 1BNKZ–5BNKZ đo nhiệt độ phòng 222 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu gốm truyền thống 24 Hình 2.2 Sự phụ thuộc mật độ gốm hệ (1–x)KNLSN–xBNKZ vào nồng độ BNKZ 31 Hình 2.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ với nồng độ 32 Hình 2.4 (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X phóng đại góc 2 lân cận 45.5o hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ (b) làm khớp hàm Gauss 33 Hình 2.5 Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ 34 Hình 3.1 Sự phụ thuộc số điện môi ε tổn hao điện môi tgδ theo nồng độ BNKZ hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ đo nhiệt độ phòng, tần số 10 kHz 38 Hình 3.2 Sự phụ thuộc số điện môi  tổn hao điện môi tg vào nhiệt độ hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ với nồng độ BNKZ khác 39 Hình 3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie TC nhiệt độ chuyển pha TO–T vào nồng độ x hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ 40 h Hình 3.4 Phổ dao động cộng hưởng radian hệ gốm (1–x)KNLSN– xBNKZ với thành phần x khác 42 Hình 3.5 Phổ dao động cộng hưởng theo bề dày hệ gốm (1–x)KNLSN– xBNKZ với thành phần x khác 43 Hình 3.6 Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện kp, kt hệ số áp điện d33 vào thành phần BNKZ hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ thiêu kết nhiệt độ 1110 °C 46 Hình 3.7 Đường trễ sắt điện mẫu gốm (1–x)KNLNS–xBNKZ với nồng độ x = 0,00; 0,02; 0.,04; 0,06; 0,08; 0,10 47 Hình 3.8 Sự phụ thuộc điện trường kháng Ec độ phân cực dư Pr gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ vào nồng độ x 48 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Khối lượng oxit muối cacbonat 15 gam 26 Bảng 2.2 Mật độ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ với nồng độ x khác (x = 0,00; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10) 30 Bảng 3.1 Giá trị số điện môi ε tổn hao điện môi tgδ hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ nồng độ x khác (x = 0,00; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10) đo nhiệt độ phòng, tần số 10 kHz 37 Bảng 3.2 Giá trị hệ số liên kết điện kp, kt hệ số áp điện d33 hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ thiêu kết nhiệt độ 1110 °C 45 h