Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN VĂN PHÚC CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƢNG TỪ TRỄ CỦA MẪU BỘT Bi1-xSrxFe1-yMnyO3LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Trang 2 i ĐẠ
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN VĂN PHÚC CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƢNG TỪ TRỄ CỦA MẪU BỘT Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2021 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN VĂN PHÚC CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƢNG TỪ TRỄ CỦA MẪU BỘT Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM MAI AN THÁI NGUYÊN - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm nghiên cứu Các kết quả trong luận văn là do chúng tôi cùng thực hiện Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc Nhà trƣờng về lời cam đoan này Thái Nguyên, tháng 08 năm 2021 Tác giả luận văn NGUYỄN VĂN PHÚC ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến TS Phạm Mai An - Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm, Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn, đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Sƣ phạm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình trong quá trình học tập và làm việc tại Trƣờng Tôi xin cảm ơn chân thành tới TS Phạm Anh Sơn làm việc tại Phòng thí nghiệm Hóa học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; PGS.TS Đỗ Thị Hƣơng Giang và các cán bộ làm việc tại phòng thí nghiệm Micro - Nano, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện các phép đo tại đơn vị Cuối cùng, xin gửi tình cảm và lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè, những ngƣời luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành luận văn này Thái Nguyên, tháng 8 năm 2021 Tác giả luận văn NGUYỄN VĂN PHÚC iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Đối tƣợng nghiên cứu 3 4 Phạm vi nghiên cứu 3 5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1 Cấu trúc tinh thể của vật liệu Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 4 1.1.1 Cấu trúc tinh thể BiFeO3 6 1.1.2 Cấu trúc tinh thể Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 7 1.2 Tính chất từ của vật liệu Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 15 1.2.1 Từ tính của vật liệu BiFeO3 15 1.2.2 Đặc trƣng từ trễ của vật liệu Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 16 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1 Chế tạo mẫu 28 2.2 Các phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của vật liệu 30 2.2.1 Phƣơng pháp khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X 30 2.2.2 Khảo sát đặc trƣng từ trễ bằng từ kế mẫu rung (VSM) 32 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Kết quả chế tạo và khảo sát cấu trúc tinh thể của hệ mẫu bột Bi1- xSrxFe1-yMnyO3 35 3.2 Đặc trƣng từ trễ của hệ mẫu bột Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 41 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của BiFeO3: (a) – ô cơ sở lục giác (hexagonal), (b) – ô cơ sở hình thoi (rhombohedral), (c) – ô cơ sở giả lập phƣơng (pseudocubic) 7 Hình 1.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5) đƣợc khảo sát ở 300 K 8 Hình 1.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 (*: syn Bi2O3; #:beta Bi2O3; +: alpha Bi2O3; o: Bi2Fe4O9) 10 Hình 1.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột BiFe1-xMnxO3 (x = 0%, 2.5%, 5%, 7.5%) 12 Hình 1.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu nano tinh thể BiFe1-xMnxO3 với x = 0.0 (A), 0.1 (B), 0.2 (C), 0.3 (D) 12 Hình 1.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.055, 0.06, 0.065, 0.07) 13 Hình 1.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột Bi0.90Sr0.10FexMn1-xO3 (x = 0, 5%, 10%, 15%) 14 Hình 1.8 Trật tự phản sắt từ kiểu G (a); Cấu trúc spin xoắn của BiFeO3 (b) 16 Hình 1.9 Đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5) 17 Hình 1.10 Đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 18 (x = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6) 18 Hình 1.11 Đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu hạt nano BiFe1-xMnxO3 (x = 0%, 2.5%, 5%, 7.5%) 19 Hình 1.12 Đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu bột BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.055, 0.06, 0.065 và 0.07) 20 Hình 1.13 Đƣờng cong từ trễ của các mẫu hạt nano Bi0.9Sr0.1Fe1−xMnxO3 (x=0, 0.05, 0.10, 0.15 và 0.20) 22 v Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu bột Bi1-xSrxFe1-yMnyO3 bằng phƣơng pháp sol-gel 28 Hình 2.2 Sol của mẫu Bi0.5Sr0.5Fe0.945Mn0.055O3 29 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể 31 Hình 2.4 Thiết bị đo X-ray D8 Advance Brucker 32 Hình 2.5 (a) Sơ đồ nguyên lý từ kế mẫu rung (VSM); (b) Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) DMS Model 880 33 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BiFeO3 36 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Bi0.9Sr0.1Fe0.945Mn0.055O3 37 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Bi0.9Sr0.1Fe0.85Mn0.15O3 38 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Bi0.5Sr0.5Fe0.945Mn0.055O3 39 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Bi0.5Sr0.5Fe0.85Mn0.15O3 40 Hình 3.6 Đƣờng cong từ trễ của mẫu BiFeO3 41 Hình 3.7 Đƣờng cong từ trễ của mẫu Bi0.9Sr0.1Fe0.945Mn0.055O3 42 Hình 3.8 Đƣờng cong từ trễ của mẫu Bi0.9Sr0.1Fe0.85Mn0.15O3 43 Hình 3.9 Đƣờng cong từ trễ của mẫu Bi0.5Sr0.5Fe0.945Mn0.055O3 44 Hình 3.10 Đƣờng cong từ trễ của mẫu Bi0.5Sr0.5Fe0.85Mn0.15O3 46 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Giá trị các hằng số mạng và thể tích ô cơ sở của mẫu 8 Bảng 1.2 Các thông số cấu trúc cơ bản của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 9 Bảng 1.3 Đặc trƣng cấu trúc cơ bản của hệ mẫu Bi1-xSrxFeO3 11 Bảng 1.4 Các thông số cấu trúc cơ bản của hệ mẫu Bi0.9Sr0.1Fe1−xMnxO3 15 Bảng 1.5 Giá trị của các đặc trƣng từ trễ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 (x = 0.00, 0.05, 0.055, 0.06, 0.065 và 0.07) 21 Bảng 1.6 Từ độ lớn nhất trong vùng từ trƣờng khảo sát của hệ mẫu Bi0.9Sr0.1Fe1−xMnxO3 (x=0, 0.05, 0.10, 0.15 và 0.20) 22 Bảng 1.7 Giá trị của các đại lƣợng đặc trƣng trên đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu Bi0.9Sr0.1Fe1−xMnxO3 (x=0, 0.05, 0.10, 0.15 và 0.20) 23 Bảng 3.1 Các đặc trƣng cơ bản trên đƣờng cong từ trễ của hệ mẫu 47 vii MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Trong gần hai thập niên đầu của thế kỷ 21, bismuth ferrite – BiFeO3 (BFO) là vật liệu multiferroic thu hút đƣợc sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhóm nghiên cứu ở Việt Nam và trên thế giới do nó là một trong số ít vật liệu vừa thể hiện tính sắt điện (TC ~ 1103 K), vừa thể hiện tính phản sắt từ (TN ~ 643 K) ở nhiệt độ phòng và tính sắt từ yếu xuất hiện ở vùng nhiệt độ thấp dƣới khoảng 30K [7], [8], [9] Nhờ đặc tính đó, BFO có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo các nguồn năng lƣợng mới, trong công nghệ cảm biến, kĩ thuật siêu cao tần, chế tạo các bộ nhớ có khả năng lƣu trữ an toàn thông tin, các thiết bị van-spin, các cơ cấu truyền động, các thiết bị truyền thông tốc độ cao, trong lĩnh vực y sinh… [7] Gần đây, các nghiên cứu về BFO tập chung chủ yếu vào chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý và hóa học của các hệ vật liệu có cấu trúc nano Một hƣớng nghiên cứu rất đƣợc quan tâm đó là pha tạp các nguyên tố kiềm thổ hoặc đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp nhóm 3d trong các hệ mẫu nano BFO nhằm cải thiện tính chất điện, từ của mẫu Các ion Bi3+ thƣờng đƣợc thay thế bằng các ion kim loại kiềm thổ nhƣ Sr2+, Ca2+ [10], [13] hoặc các ion đất hiếm thuộc họ Lanthan nhƣ La3+, Sm3+, Gd3+, Ho3+, Pr3+,… [3], [22] Các ion Fe3+ thƣờng đƣợc thay thể bởi các kim loại chuyển tiếp nhƣ Cr3+, Mn3+, Sc3+, Ti4+, Nb5+,… [1] – [5], [9], [18] Ghanshyam Arya và các cộng sự tiến hành thay thế một phần Fe3+ (rion= 0,645Å) bởi Mn2+ (rion= 0,46 Å) với tỉ lệ 2,5%, 5% và 7,5% và nhận thấy rằng sự thay thế Mn vào vị trí của Fe3+ có thể làm biến dạng cấu trúc mạng tinh thể, triệt tiêu spin xoắn, từ đó cải thiện tính chất từ của BFO và vật liệu từ trạng thái phản sắt từ ở nhiệt độ phòng sẽ chuyển thành trạng thái sắt từ Trong các mẫu nghiên cứu, mẫu có tỉ lệ tạp Mn 5% thể hiện tính sắt điện mạnh nhất [9] 1 Tác giả Vũ Thị Tuyết cùng nhóm nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm, Đại học Thái Nguyên đã tiến hành chế tạo mẫu bột BiFe1-xMnxO3 với x = 0.00 0.10 bằng phƣơng pháp sol-gel với chất nền là citric acid Kết quả nghiên cứu cho thấy các mẫu có tỉ lệ tạp Mn khác nhau có sự khác nhau về cấu trúc và tính chất từ, trong số các mẫu nghiên cứu cho thấy mẫu tỉ lệ pha tạp 6% không còn xuất hiện các pha thứ cấp và có từ độ bão hòa lớn nhất [5] Tác giả Hoàng Thị Lệ Thuỷ đã chế tạo hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 với x = 0.00, 0.05, 0.055, 0.06, 0.065 và 0.07 bằng phƣơng pháp sol-gel sử dụng chất nền là axit nitric và axit citric [4] Kết quả khảo sát đƣờng cong từ trễ chỉ ra rằng mẫu với tỷ lệ tạp Mn 5.5% có từ độ bão hòa lớn nhất Kết quả nghiên cứu của Tanvir Hussain và các cộng sự trên hệ mẫu bột Bi1-xSrxFeO3 (x = 0.05; 0.1; 0.2; 0.3) chế tạo bằng phƣơng pháp sol-gel với tác nhân tạo phức là glycine chỉ ra rằng từ độ bão hòa của mẫu tăng lên khi thay thế một phần ion Bi3+ bởi ion Sr2+ và đạt giá trị lớn nhất bằng 0.867 emu/g khi tỷ lệ Sr2+/Bi3+ = 3/7 [21] Jaiparkash cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc và đặc trƣng từ trễ của mẫu Bi1-xSrxFeO3 chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn [10] Kết quả nghiên cứu cho thấy khi thay thế ion Bi3+ bởi ion Sr2+ với tỷ lệ từ 10% đến 50% thì hình thái hạt và tính chất từ của mẫu thay đổi theo hƣớng tích cực so với mẫu BiFeO3, từ độ bão hòa đạt cực đại bằng 0.9 emu/g khi tỷ lệ Sr2+/Bi3+ = 1 (x = 0.5) Kết quả nghiên cứu của Muhammad Amin và cộng sự thực hiện với mẫu Bi0.9Sr0.1Fe1-xMnxO3 (x = 0, 0.05, 0.10, 0.15 và 0.20) (BFSMO) chế tạo bằng phƣơng pháp sol-gel với tác nhân tạo phức là glycine (NH2CH2COOH) và urea (CO(NH2)2) chỉ ra rằng từ độ bão hòa của mẫu có tỷ lệ x = 0.15 là lớn nhất [14] Một số nghiên cứu khác trên hệ mẫu BSFMO cũng cho thấy từ độ bão hòa của mẫu đồng pha tạp/thay thế Sr và Mn đƣợc cải thiện đáng kể 2