Cấu trúc Perovslite của vật liệu Ceramic
1 Trình bày: Ngô Trương NgọcMai Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học 01-2011 Báo cáo seminar 2 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, ZrSiO 4 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , SiC, SiN, BaTiO 3 , … • Sản xuất bằng phương pháp nung kết khối ở nhiệt độ cao (gốm sứ) hoặc nấu chảy (thủy tinh) 3 Bi nghiền oxit nhôm Khoáng vật corundum thô (oxit nhôm) Chi tiết máy zirconia Corundum sau gia công 4 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) Cấu trúc phổ biến nhất của functional ceramics là PEROVSKITE! 5 Các nghiên cứu và ứng dụng quan trọng Các phương pháp sản xuất Tính chất của các perovskite Cấu trúc perovskite Lịch sử phát hiện perovskite 6 • Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc tương tự khoáng vật CaTiO 3 • 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) 7 -Cubic SrTiO 3 0,1 0,1 0,1 0,1 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 Oxygen B site A site 0,1 0,1 0,1 0,1 (a) (b) (c) ABO 3 -SrTiO 3 8 -Cubic SrTiO 3 O O Sr Sr Ti Ti Bát diện BO 6 (TiO 6 ) Số phối trí của B (Ti): 6 Số phối trí của A (Sr): 12 Æ r A ~ r O , r A > r B , tổng điện tích cation A và B = 6 ABO 3 (tại lỗ hổng bát diện) 9 - Đơn giản và phức tạp -Đơn giản: ABO 3 -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 Ví dụ A Hóa trị cation B Ví dụ B Hợp chất ABO 3 2, 4- Phổ biến, quan trọng nhất 2 Ba 2+ , Ca 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , Sr 2+ , Pb 2+ 4 Ti 4+ , Mn 4+ , Ce 4+ , Sn 4+, Zr 4+ CaTiO 3 , BaTiO 3 , SrMnO 3 , PbZrO 3, PbTiO 3 Vật liệu sắt điện 3, 3- 3 La 3+ , Y 3+ , Gd 3+ , Nd 3+ , Bi 3+ 3 Sc 3+ , Fe 3+ , Ga 3+ , Ni 3+ , Fe 3+ , LaNiO 3 , YFeO 3 , LaAlO 3 1, 5- Quan trọng thứ hai 1 K + , Na + 5 Mn 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ KNbO 3 , KTaO 3 Vật liệu hỏa điện và quang điện 10 Phức tạp: hợp chất 1/2:1/2 và 1/3:2/3 -Hợp chất 1/2:1/2: A 2 B’B”O 6 hoặc AB’ 1/2 B” 1/2 O 3 Loại ½: ½ Hóa trị A Hóa trị B ’ Ví dụ B’ Hóa trị B” Ví dụ B” Hợp chất 3,5 2 3 Sc, Nd, La, Y, Gd, In 5 Nb, Ta Pb 2 ScTaO 6 , Ba 2 YTaO 6 2,6 2 2 Co, Sr, Mg 6 W Pb 2 CoWO 6 1,7 2 1 Na, K 7 Os Ba 2 NaOsO 6 Pb 2 ScTaO 6 [...]... lực lên vật liệu sẽ sinh ra dòng điện và ngược lại do giá trị moment lưỡng cực thay đổi khi cấu trúc bị nén ép (Ứng dụng: các sensor) 20 • Tính hỏa điện (pyroelectricity): khi gia nhiệt, dòng điện xuất hiện trong vật liệu do giá trị của moment lưỡng cực bị thay đổi khi cấu trúc bị đốt nóng (Ứng dụng: sensor) • Tính siêu dẫn: tính chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khi dòng điện chạy qua, vật liệu không... tím (Nikon) Kính bảo vệ hiện vật (trong viện bảo tàng), máy bay Gương chống lóa (Schotts) Cửa kính nhà ở, tòa nhà văn phòng, bệnh viện (hệ thống NHS ở Anh quốc) Màn trình chiếu 36 2 Gốm áp điện: piezoelectric ceramics * Hiệu ứng áp điện: dưới tác dụng của 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 Vật liệu có tính áp điện cao: họ... 2 (RO + RB A a ) 2 a = 2 ( RO + RA ) B Mong muốn: ( RO + RA ) = 1 = 2 ( RO + RB ) 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 lớn cấu trúc lệch 14 Cubic Liên kết Mn-O-Mn thẳng Mn O Mn CaMnO3 Orthorhombic Mn-O-Mn cong Mn O Mn 15 LaMnO3 16 • WO3 ABO3 • Ba5Nb4O15... tổng hợp từ phản ứng pha rắn Kích thước hạt tương đối lớn (micron) 2 - Sản phẩm ceramic dạng khối - Sản phẩm ceramic dạng màng (film) Phương pháp tổng hợp từ phản ứng pha lỏng Kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nano) - Sản phẩm ceramic dạng khối - Sản phẩm ceramic dạng màng (film) 22 1 Phương pháp tổng hợp từ phản ứng pha rắn Nguyên liệu Cân đúng tỉ lệ Nghiền trộn Oxide, muối carbonat dạng bột Nước/dung môi hữu... trống vị trí A dễ dẫn ion A+ vào lỗ trống, đồng thời số oxy hóa của W giảm từ +6 đến +5 34 So sánh: kính đổi màu truyền thống Trộn hoặc mạ đều một lớp AgCl trong suốt 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 Độ sậm của kính phụ thuộc vào cường độ của tia cực tím Màu sắc kính do phủ thêm một lớp màu (xám, nâu,... bột Dung môi hữu cơ Tạo huyền phù Tạo màng mỏng -Kết tủa điện di - In Nung kết khối Sản phẩm dạng khối (bulk ceramics) Sản phẩm dạng khối Sản phẩm dạng màng (ceramic films) Sản phẩm dạng màng 24 2 Phương pháp tổng hợp từ phản ứng pha lỏng Muối kim loại, alkoxide kim loại, hợp chất cơ kim Nguyên liệu Dung môi Bay hơi Dung dịch Kết tủa/gel hóa… Tác nhân kết tủa/ tạo phức/ gel hóa Phản ứng đặc thù (thủy... Tin Oxide Nguồn điện Màng quang điện: hexacianoferrate, WO3 Điện cực: hệ CeO2-TiO2 32 Mô tả lớp màng quang điện - Có tính đổi màu theo dòng điện (1 chiều: ~1V), thuận nghịch -Thành phần chính: WO3 - Cấu trúc: perovskite Cơ chế đổi màu WO3 + xH+ +xe- HxWO3 trong mờ đục cách điện dẫn điện Tối Sáng ITO + e Nguồn cung cấp H+ WO3 - e ITO Đế thủy tinh 33 Giải thích WO3 + xH+ cách điện W: 4f145d46s2 W6+: 5d06s0... Antimicelle keo Chất trung gian hydroxide, sol-gel, Nhóm 3 phân hủy, phương pháp phức Sử dụng hợp chất trung gian EDTA, … (hữu cơ) 26 1 2 Kính thông minh: smart window, E-glass Gốm áp điện: piezoelectric ceramics 27 1 Kính thông minh: smart window, E-glass Mở Tắt (~99,4% ánh sáng) - Là loại thủy tinh có thể điều chỉnh lượng ánh sáng và nhiệt truyền qua nó khi cho dòng điện chạy qua: electrically switchable . nhôm Khoáng vật corundum thô (oxit nhôm) Chi tiết máy zirconia Corundum sau gia công 4 Phân loại Vật liệu ceramic: -Truyền thống (traditional ceramics) -Kỹ thuật (industrial ceramics) Vật liệu ceramic. ceramics) Vật liệu ceramic kỹ thuật: -Cấu trúc/ kết cấu (structural ceramics) -Chức năng (functional ceramics) Cấu trúc phổ biến nhất của functional ceramics là PEROVSKITE! 5 Các nghiên. sản xuất Tính chất của các perovskite Cấu trúc perovskite Lịch sử phát hiện perovskite 6 • Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc tương tự khoáng vật CaTiO 3 • Khoáng