Bài thuyết trình: Báo cáo seminar Cấu trúc perovskite của vật liệu ceramic

• Vật liệu vô cơ phi kim loại thành phần gồm các vật chất có chứa oxy hoặc không chứa oxy: các khoáng vật silicate, ZrSiO4, Al2O3, ZrO2, SiO2, SiC, SiN, BaTiO3, … • Sản xuất bằng phương

Trình bày:

Ngô Trương Ngọc Mai

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

01-2011

Báo cáo seminar

Vật liệu ceramic là gì?

• Vật liệu vô cơ phi kim loại (thành phần gồm các vật chất có chứa oxy hoặc không chứa oxy): các khoáng vật silicate, ZrSiO4,

Al2O3, ZrO2, SiO2, SiC, SiN, BaTiO3, …

• Sản xuất bằng phương pháp nung kết khối

ở nhiệt độ cao (gốm sứ) hoặc nấu chảy (thủy tinh)

Khoáng vật corundum thô (oxit nhôm)

Chi tiết máy zirconia Corundum sau gia công

Phân loại

Vật liệu ceramic:

- Truyền thống (traditional ceramics)

- Kỹ thuật (industrial ceramics)

Vật liệu ceramic kỹ thuật:

- Cấu trúc/kết cấu (structural ceramics)

- Chức năng (functional ceramics)

là PEROVSKITE!

Các phương pháp sản xuất

Tính chất của các perovskite Cấu trúc perovskite

Lịch sử phát hiện perovskite

• Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc

tương tự khoáng vật CaTiO3

• Khoáng perovskite được nghiên cứu và phát hiện lần

đầu tiên ở vùng núi Uran của Nga bởi Gustav Rose vào

năm 1839 và được đặt tên theo nhà khoáng vật học L.A

Perovski (1792-1856)

• Có trong rất nhiều dạng khoáng vật tự nhiên ở các

vùng núi ở Uran và Thụy Sĩ, …

• Cấu trúc được quan tâm nghiên cứu do sự đa dạng về

tính chất ở các nhiệt độ khác nhau

• Perovskite là trái tim của vật lý chất rắn (nhà vật lý

người Ấn Độ Rao)

- Đơn giản: ABO3

- Phức tạp: A: 2+, B: hỗn hợp vài cation có tổng hóa trị 4

-Vd: (3 + + 5 + )/2=4 + ; (1x2 + +2x5 + )/3=4 +

Loại

perovskite

Hóa trị cation A

Hóa trị B ’

Ví dụ B’ Hóa

trị B”

Ví dụ B”

A quá nhỏ: bát diện BO 6 bị nghiêng

A quá lớn: liên kết Ti-O bị kéo dãn, Ti bị lệch khỏi vị trí trung tâm giữa 2 nguyên tử O

= +

Mong muốn:

= t

Thực tế: 0.88 < t < 1.02

• Nếu t khác 1: cấu trúc bị biến dạng

• hoặc, không hình thành perovskite

• Nếu t <1: A quá nhỏ Æ cấu trúc nghiêng

• t=1: A có kích thước lý tưởng

• t > 1 : A quá lớn Æ cấu trúc lệch

16

•

•

* Rare Earth-Nguyên tố đất hiếm,

** Transition metal-Kim loại chuyển tiếp

CaTiO 3 Cách điện (dielectric)

BaTiO 3 Sắt điện (ferroelectric)

Pb(Zr 1-x Ti x )O 3 Áp điện (piezoelectric)

(Ba 1-x La x )TiO 3 Bán dẫn (semiconductor)

(Y 1/3 Ba 2/3 )CuO 3-x Siêu dẫn (superconductor), dẫn ion O

2-Na x WO 3 Dẫn ion và electron (mixed conductor),

quang điện (electrochromic)

RE*TM**O 3-x Dẫn ion và electron (Mixed conductor)

AMnO 3-x Hiệu ứng điện trở từ khổng lồ (giant

magnetoresistance effect)

Li 0,5-3x La 0,5+x TiO 3 Dẫn ion Li +

•

• Tính sắt điện (ferroelectricity): tính chất hưởng ứng mạnh

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ferroelectrics/index.php

* Tính áp điện (piezoelectricity): Khi tác dụng lực lên vật liệu

• Tính hỏa điện (pyroelectricity): khi gia nhiệt, dòng điện

thay đổi khi cấu trúc bị đốt nóng (Ứng dụng: sensor)

• Tính siêu dẫn: tính chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khi

Cân đúng tỉ lệ

carbonat dạng bột Nước/dung môi hữu cơ

Sấy Rây Sản phẩm dạng bột

Sản phẩm dạng khối

Sản phẩm dạng film

Nghiền

Tạo màng mỏng

Sản phẩm dạng màng

(ceramic films)

Dung môi hữu cơ

Nung kết khối

- Kết tủa điện di

- In

Sản phẩm dạng khối Sản phẩm dạng màng

- giảm sử dụng điều hòa không khí

- giảm sưởi ấm, chiếu sáng

Nguyên tắc

Lớp phủ dẫn điện Các hạt lơ lửng Màng chắn Lớp dán bảo vệ Thủy tinh

30

Các loại kính thông minh bật tắt

1 Quang điện (electrochromic)

2 Các hạt huyền phù (suspended particles)

3 Tinh thể lỏng (liquid crystal)

4 Micro-blinds

- Có tính đổi màu theo dòng điện (1 chiều: ~1V), thuận nghịch-Thành phần chính: WO3

dẫn ion A+ vào lỗ trống, đồng thời số oxy

hóa của W giảm từ +6 đến +5

WO3 + xH+ +xe- Æ HxWO3

So sánh: kính đổi màu truyền thống

Z Trộn hoặc mạ đều một lớp AgCl trong suốt

Z AgCl hấp thụ năng lượng của tia cực tím trong ánh sáng

mặt trời, bị phân hủy thành hạt Ag rất nhỏ làm kính chuyển màu sậm hơn khi ra nắng

Z Độ sậm của kính phụ thuộc vào cường độ của tia cực tím

Z Màu sắc kính do phủ thêm một lớp màu (xám, nâu, vàng, đỏ,…)

Z Ưu điểm:

Z Tiện lợi, không cần thay kính

Z Ngăn ngừa tia cực tím hại mắt

Ứng dụng kính thông minh

Z Kính mát: chống tia cực tím (Nikon)

Z Kính bảo vệ hiện vật (trong viện bảo tàng), máy bay

Z Gương chống lóa (Schotts)

Z Cửa kính nhà ở, tòa nhà văn phòng, bệnh viện (hệ thống NHS

ở Anh quốc)

Z Màn trình chiếu

Gốm áp điện: piezoelectric ceramics

2

lực cơ học, bề mặt vật liệu xuất hiện sự

phân cực điện và do đó xuất hiện dòng

điện

* Đây là hiệu ứng thuận nghịch

zirconate titanate): PbTi1-xZnxO3, perovskite Pb

Ứng dụng

Phía pha rhombohedral: gia tốc kế, thiết bị chẩn đoán hình ảnh y khoa,…

Phía pha tetragonal: ống nghe dưới nước, microphone,, cảm biến, bộ biến đổi siêu âm, bộquét, động cơ (ổ đĩa máy tính, chức năng zoom ống kính ở điện thoại chụp ảnh…), …

• Hiệu ứng áp điện cao bất thường tại vùng lân cận x=0,5 Ví dụ

53% PZ, 48% PT Vùng có sự chuyển giữa 2 pha tetragonal và

rhombohedral

Ứng dụng

• Chẩn đoán siêu âm trong y khoa

• Bật lửa, đánh lửa gas

• Bộ chuyển đổi dịch chuyển

Tóm tắt

• Cấu trúc Perovskite được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất cho vật liệu ceramic chức năng (functional ceramics)

• Dễ dàng thay đổi/điều chỉnh tính chất của vật liệu

có cấu trúc perovskite bằng cách thay đổi thành phần, tỉ lệ kết hợp.

• Các tính chất được ứng dụng nhiều nhất: tính sắt điện, hỏa điện, áp điện, từ tính, dẫn ion và electron (BaTiO3, PZT, …)

• Tính chất đặc biệt: tính siêu dẫn nhiệt độ cao.

4 J Kulawik, D Szwagierczak, B Groger Investigations of

properties of ceramic materials with perovskite structure in chosen electronic applications, Bulletin of the Polish

academy of sciences: Technical sciences, 55(3) 2007

5 Crystal structure and defect property predictions in

Ceramic Materials, Thesis of Mark R Levy, Imperial

College of Science, Technology and Medicine, 2005

43