(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của sự đồng pha tạp các ion la và mn đến tính chất vật lý của vật liệu bifeo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ THU YÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP CÁC ION La VÀ Mn ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ h CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 Chuyên ngành: VẬT LÍ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS Đinh Thanh Khẩn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng hướng dẫn TS Đinh Thanh Khẩn, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Nguyễn Thị Thu Yên h LỜI CẢM ƠN Trong q trình học tập hồn thành luận văn, tơi nhận ủng hộ, giúp đỡ quý báu từ thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè người thân Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Đinh Thanh Khẩn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, đóng góp ý kiến quý báu để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho chúng tơi q trình học tập sau trường h Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học tự nhiên phòng Sau đại học Trường Đại học Quy Nhơn, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa học trường Cuối cùng, xin gửi tất tình cảm lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, bạn bè, người ln động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt giúp tơi hồn thành luận văn Học viên Nguyễn Thị Thu Yên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ABO3 1.1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ABO3 1.1.2 Sự tách mức lượng obital d trường tinh thể bát diện BO6 1.1.3 Biến dạng vật liệu ABO3 h 1.2 MULTIFERROICS (VẬT LIỆU ĐA PHA ĐIỆN TỪ) 10 1.2.1 Các loại multiferroics 11 1.2.2 Các chế sắt điện trật tự từ vật liệu multiferroics 12 1.3 VẬT LIỆU BiFeO3 15 1.3.1 Tính sắt điện BiFeO3 15 1.3.2 Tính chất từ BiFeO3 17 1.3.3 Chuyển pha cấu trúc vật liệu BFO 19 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ PHÂN TÍCH VẬT LIỆU 21 2.1 PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG PHA RẮN 21 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU 22 2.2.1 Nhiễu xạ tia X 22 2.2.2 Nhiễu xạ nơtron phổ kế nơtron DN-12 27 2.2.3 Phương pháp Rietveld 31 2.2.4 Chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 2.2.5 Phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 36 2.2.6 Tán xạ Raman 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 HÌNH THÁI VÀ THÀNH PHẦN HĨA HỌC CỦA VẬT Bi0.84La0.16Fe1xMnxO3+ 42 3.2 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 45 3.3 PHỔ TÁN XẠ RAMAN (RS) CỦA VẬT LIỆU Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 56 3.4 TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 h DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt BFO DRAM FeRAM Tiếng Việt Tiếng Anh BiFeO3 BiFeO3 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Dynamic random-access động hay RAM động memory Ram sắt điện Ferroelectric Memory Access Random Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Resistive random-access điện trở memory J-T Hiệu ứng Jahn – Teller Jahn–Teller effect TOF Phổ kế thời gian bay SEM Kính hiển vi điện tử quét RRAM h EDS (EDX) Phổ tán sắc lượng tia X Time-of-flight spectrometer Scanning Electron Microscope Energy-dispersive X-ray spectroscopy RS Phổ tán xạ Raman Raman spectroscopy AFM Kính hiển vi lực nguyên tử Atomic force microscope DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Thông số kênh nhiễu xạ DN-12 [38] 30 Bảng Thành phần nguyên tử vật liệu Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ tỉ lệ nguyên tố vật liệu 44 Bảng Các thông số mạng, chiều dài góc liên kết đặc trưng bát diện Fe/MnO6, moment từ spin Fe/Mn spin rút từ giản đồ nhiễu xạ nơtron nhiệt độ phịng vật liệu Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3 sử dụng nhóm đối xứng tinh thể Imma Vị trí nguyên tử R (Bi/La) 4e (0,1/4, z), M (Fe/Mn) 4b (0,0,1/2), O1 4e (0.5,1/4, z) O2 8d (0.25, y ,0.75) 49 h DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Cấu trúc perovskite ABO3 lý tưởng [17]: (a) ô mạng sở (b) xếp trật tự, tuần hồn hình bát diện BO6 Hình Sơ đồ chuyển pha cấu trúc gây xoay hình bát diện BO6 vật liệu ABO3 [20] Hình Các obital d trường tinh thể bác diện BO6 Các cầu trục biểu diển anion O [21,22] Hình Sự tách mức lượng obital d trường tinh thể bát diện BO6 [22] Hình Một số dạng biến dạng vật liệu ABO3 [23] Hình Biến dạng J-T kéo dài bát diện BO6 [24] Hình Sơ đồ mức lượng orbital d bát diện BO6 ứng với biến h dạng J-T nén xảy [24] 10 Hình Sự đồng tồn hai trạng thái sắt điện trạng thái trật tự từ vật liệu đa pha điện từ [26] 11 Hình Cơ chế cặp electron lẻ [25] 13 Hình 10 Cơ chế sắt điện hình thái RMnO3 [25] 13 Hình 11 Cơ chế trật tự điện tích [25] 14 Hình 12 Các dạng cấu trúc spin xoắn ốc [26] 14 Hình 13 Ơ sở dạng (a) lục giác, (b) hình thoi (c) giả lập phương Hướng tinh thể [111] ô sở giả lập phương hình thoi trùng với hướng tinh thể [001] ô sở lập phương Các mũi tên màu vàng xanh dương thể dịch cation Bi Fe dọc theo hướng [111] đường cong có mũi tên màu xanh lục thể quay bát diện FeO6 quanh hướng tinh thể [111] (d) Các vector sở ô sở lục giác (màu đen), giả lập phương (màu xanh dương) hình thoi (màu đỏ Các mũi tên mà cam với chữ P thể hướng phân cực điện vật liệu BFO [30] 16 Hình 14 Sự phân bố moment từ ion Fe3+ ô sở lục giác vật liệu BFO với cấu trúc từ xoắn ốc dọc theo hướng [110] BFO [29] 17 Hình 15 Liên kết Fe-O-Fe BFO [30] 19 Hình Lị nung nhiệt độ 1800C phịng thí nghiệm Khoa học vật liệu Khoa Vật lí, Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng 21 Hình 2 Sơ đồ quy trình công nghệ phương pháp phản ứng pha rắn 22 Hình Sự nhiễu xạ tia X mặt tinh thể 23 Hình Sơ đồ phương pháp nhiễu xạ bột với ghi hình nhiễu xạ phim 24 h Hình 5(a) Cấu hình (b) kết nhiễu xạ bột với ghi hình nhiễu xạ đầu thu xạ (ống đếm photon) 25 Hình Máy nhiễu xạ tia X phịng thí nghiệm Khoa học vật liệu Khoa Vật lí, Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng 26 Hình Mở rộng đỉnh phổ nhiễu xạ tia X kích thước hạt 27 Hình Sơ đồ tán xạ sóng phẳng nguyên tử k0và k1 vector sóng tới vector sóng tán xạ 28 Hình Sơ đồ phổ kế DN-12 lị phản ứng nơtron xung IBR-2M, thuộc phịng thí nghiệm nơtron, Liên bang Nga [38]: (1) Lõi, (2) điều hướng, (3) cắt quang học, (4) chắn nơtron nhanh, (5) điều hướng, (6) chắn, (7) hệ thống detector (8) vị trí mẫu 28 Hình 10 Hệ thống nhiễu xạ theo phương pháp thời gian bay 29 Hình 11 Hệ thống detector phổ kế DN-12 30 Hình 12 Sơ đồ nguyên lí làm việc SEM 34 Hình 13 Thiết bị SEM phịng thí nghiệm Khoa học vật liệu Khoa Vật lí, Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng 35 Hình 14 Ngun lí làm việc EDS 36 Hình 15 Sơ đồ khối hệ thống EDS 38 Hình 16 Sơ đồ minh họa trình tán xạ Rayleigh tán xạ Raman 40 Hình 17 Thiết bị đo phổ tán xạ Raman phịng thí nghiệm Khoa học vật liệu Khoa Vật lí, Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng 41 Hình Ảnh SEM vật liệu liệu Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 42 Hình Phổ EDS vật liệu liệu Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 43 Hình 3 Giản đồ nhiễu xạ tia X nhiệt độ phòng hệ mẫu Bi0.84La0.16Fe1xMnxO3+ (x = 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 0.5) Các điểm màu đỏ kết thực nghiệm đường màu xanh từ tính toán sử dụng phương pháp Rietveld Các vạch thẳng đứng bên thể h vị trí tính tốn đỉnh nhiễu xạ pha cấu trúc Imma 45 Hình Giản đồ nhiễu xạ nơtron nhiệt độ phòng hệ mẫu Bi0.84La0.16Fe1xMnxO3+ (x = 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 0.5) Các điểm màu đỏ kết thực nghiệm đường màu xanh từ tính tốn sử dụng phương pháp Rietveld Các vạch thẳng đứng bên thể vị trí tính tốn đỉnh nhiễu xạ pha cấu trúc Imma Các đỉnh pha phản sắt từ loại G đánh dấu kí hiệu “AFM” 46 Hình Cấu trúc tinh thể từ pha trục thoi Imma mẫu vật liệu Bi0.84La0.16Fe1-xMnxO3+ 48 Hình Sự phụ thuộc số mạng vào hàm lượng x Mn 50 Hình Sự phụ thuộc thể tích sở vào hàm lượng x Mn 51 Hình Sự phụ thuộc góc nghiêng bát diện Fe/MnO6 xung quanh