Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu la2nio4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VŨ ĐẠT CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU La2NiO4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VŨ ĐẠT CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU La2NiO4 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Đỉnh giúp đỡ, chi bảo tận tình tạo điều kiện thuận lợi trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trung tâm khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tạo điều kiện tốt giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Hóa học vô tạo điều kiện, giúp đỡ em mặt thiết bị nhƣ hóa chất, cung cấp cho em kiến thức quý báu trình chế tạo mẫu Cuối xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới ngƣời thân, anh,em, bạn bè động viên giúp đỡ nhiều để thực luận văn Mặc dù cố gắng để hoàn thành luận văn cách hoàn chỉnh song không tránh khỏi thiếu sót.Rất mong nhận đƣợc đóng góp quý báu thầy cô bạn để luận văn đƣợc hoàn chỉnh Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2014 Học Viên Lê Vũ Đạt MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 10 1.1 Vật liệu Perovskite Error! Bookmark not defined 1.1.1 Cấu trúc Perovskite Error! Bookmark not defined 1.1.2 Liên kết mạng Perovskite Error! Bookmark not defined 1.1.3 Vật liệu Perovskite sắt từ Error! Bookmark not defined 1.1.4 Vật liệu Perovskite sắt điện Error! Bookmark not defined 1.2 Vật liệu BaTiO3 Error! Bookmark not defined 1.3 Vật liệu La2NiO4 Error! Bookmark not defined 1.4 Vật liệu multiferroics Error! Bookmark not defined 1.4.1 Phƣơng pháp sol- gel Error! Bookmark not defined 1.4.2 Phƣơng pháp phản ứng pha rắn (phƣơng pháp gốm) Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU Error! Bookmark not defined 2.1 Chế tạo La2NiO4 phƣơng pháp sol- gel Error! Bookmark not defined 2.2 Chế tạo BaTiO3 phƣơng pháp thủy nhiệt (sử dụng BaTiO3 chế tạo sẵn).Error! Bookmark not defined 2.3 Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x phƣơng pháp nghiền trộn pha rắn Error! Bookmark not defined 2.4 Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x phƣơng pháp sol- gel (phƣơng pháp lõi vỏ) Error! Bookmark not defined 2.5 Nhiễu xạ kế tia X Error! Bookmark not defined 2.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.7 Hệ đo tính chất từ VSM Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Cấu trúc Error! Bookmark not defined 3.1.1 Cấu trúc vật liệu La2NiO4 Error! Bookmark not defined 3.1.2 Cấu trúc hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x Error! Bookmark not defined 3.2 Sự phụ thuộc điện trở suất hệ vật liệu vào nhiệt độ Error! Bookmark not defined 3.3 Sự phụ thuộc số điện môi hệ vật liệu vào nhiệt độ Error! Bookmark not defined 3.4 Sự phụ thuộc tính chất từ hệ vật liệu vào nhiệt độ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A,B : Các ion (cation) O : Nguyên tử Oxy CGS : (centimetre-gram-second system) hệ đơn vị vật lý học dựa centimet nhƣ đơn vị chiều dài, gam đơn vị khối lƣợng, giây đơn vị thời gian La : nguyên tố Latan Ba : nguyên tố Bari Ca : nguyên tố Canxi Fe : nguyên tố Sắt Ni : nguyên tố Niken C : Nguyên tố Cacbon Tc : Nhiệt độ chuyển pha Curie C : Nhiệt độ Curie – Weiss AC : axit ctric SEM : Kính hiển vi điện tử TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua EDX : Phƣơng pháp phân tích phổ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.1 Bán kính ion thông số mạng số hợp chất có cấu trúc Perovskite Bảng 3.1.1 Kí hiệu, độ pH, nhiệt độ nung, thời gian nung mẫu La2NiO4 Bảng 3.1.2 Kí hiệu, tỷ lệ thành phần, nhiệt độ nung, thời gian nung hệ mẫu La2NiO4 Bảng 3.2.1 Bảng giá trị lượng kích hoạt mẫu R5, R6, R7 DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1.1 Cấu trúc perovskite lý tưởng Hình 1.1.2 Đồ thị lượng tổng cộng theo thể tích ô mạng ứng với 12 cấu hình ion xác định Hình 1.1.3 Pha cấu trúc phân cực tự phát 13 Hình 1.1.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ phân cực tự phát pha 14 cấu trúc BaTiO3 Hình 1.1.5 Sự tạo thành giếng kép mạng ion Perovskite sắt điện 14 Hình 1.1.6 Đômen vật liệu sắt điện 16 Hình 1.1.7 Đường cong điện trễ 17 Hình 1.2.1 Minh họa đặc trưng tác động qua lại tính sắt điện 19 sắt từ vật liệu Multiferroics Hình 1.2.2 Mối quan hệ vật liệu Multiferroics vật liệu điện từ 19 Hình 2.1.1 Sơ đồ chế tạo La2NiO4 phương pháp sol – gel 22 Hình 2.1.2 Hình thành gel nhớt với độ pH khác 23 Hình 2.1.3 Gel nhớt sau sấy khô nung sơ 23 Hình 2.1.4 Nghiền bột xốp cối mã não 24 Hình 2.1.5 Bột La2NiO4 thu sau nung thiêu kết 24 Hình 2.2.1 Quy trình chế tạo vật liệu BaTiO3 phương pháp thủy nhiệt 24 Hình 2.2.2 Thiết bị ủ nhiệt bình thủy nhiệt 26 Hình 2.2.3 Ảnh SEM BaTiO3 chế tạo phương pháp thủy nhiệt 27 Hình 2.3.1 Giản đồ thời gian trình nung thiêu kết 27 Hình 2.4.1 Giản đồ chế tạo vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) phương 28 pháp sol- gel Hình 2.5.1 Hiện tượng nhiễu xạ tia X tinh thể 29 Hình 2.5.2 Hình ảnh nhiễu xạ tia X 31 Hình 2.6.1 Sơ đồ cấu tạo nguyên tắc hoạt động kính hiển vi 33 điện tử quét Hình 2.7.2 Sơ đồ cấu tạo hệ đo từ kế mẫu rung 34 Hình 3.1.1.1 Nhiễu xạ X-ray mẫu La2NiO4 với độ pH khác 35 Hình 3.1.1.2 Nhiễu xạ X-ray mẫu La2NiO4 với nhiệt độ nung khác 36 Hình 3.1.1.3 Ảnh SEM mẫu La2NiO4 37 Hình 3.1.2.1 Nhiễu xạ Xray hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo 38 phương pháp sol- gel với giá trị x khác Hình 3.1.2.2 Giản đồ Xray hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo 38 phương pháp nghiền trộn với giá trị x khác Hình 3.1.2.3 Ảnh SEM giản đồ EXD mẫu D1 39 Hình 3.1.2.4 Ảnh SEM giản đồ EDX mẫu D2 40 Hình 3.1.2.5 Ảnh SEM giản đồ EDX mẫu D3 41 Hình 3.1.2.6 Ảnh SEM giản đồ EDX mẫu R2 41 Hình 3.1 2.7 Ảnh SEM giản đồ EDX mẫu R3 42 Hình 3.1.2.8 Ảnh TEM mẫu D1,D2,D3 43 Hình 3.2.1 Sự phụ thuộc điện trở suất mẫu R5,R6, R7 vào nhiệt độ 44 Hình 3.2.2 Sự phụ thuộc ln theo 1/T mẫu R5, R6, R7 45 Hình 3.3.1 Sự phụ thuộc số điện môi mẫu V5 vào nhiệt độ 45 Hình 3.3.2 Sự phụ thuộc số điện môi mẫu R5, R6, R7 vào nhiệt độ 47 Hình 3.4.1 Sự phụ thuộc số điện môi mẫu V6,D1, D2, D3 vào nhiệt độ 47 MỞ ĐẦU Trong nhiều kỷ qua, khoa học công nghệ tác động toàn diện đến kinh tế, chế độ xã hội phạm vi toàn cầu Công nghệ đƣợc xem yếu tố quan trọng nhất, định trực tiếp đến tăng suất, hiệu quả, chất lƣợng sản phẩm thúc đẩy tăng trƣởng kinh tế Trong hƣớng công nghệ công nghệ vật liệu hƣớng công nghệ cao đƣợc ƣu tiên hàng đầu Sự phát chất liệu cho ứng dụng công nghệ mở nhiều cánh cửa cho tiến vƣợt bậc kỷ 20 Trong vật liệu có từ tính đặc biệt đƣợc sử dụng ngành công nghiệp điện tử tạo cách mạng công nghệ thông tin Ngày có nhiều phát minh tiến khoa học đƣợc công bố, từ tài liệu tính chất quan trọng nhiều loại vật liệu đƣợc định hƣớng để ứng dụng vào mục đích thực tế Phƣơng pháp thực nghiệm đƣa đến mục đích lớn hiểu rõ số tính chất sẵn có chất vật liệu, việc cải tiến vật liệu để có đƣợc đặc tính vƣợt trội phục vụ cho ứng dụng mang đến tính cách mạng thúc đẩy phát triển vƣợt bậc công nghệ Một vấn đề mà nhà Vật lý thực nghiệm có nhiều hứng thú việc tìm hiểu thay đổi đặc tính vật liệu dựa vào thay đồi thành phần, cấu trúc điều kiện công nghệ chế tạo… Vật liệu đơn pha sắt điện đơn pha sắt từ thâm nhập vào lĩnh vực khoa học – công nghệ đóng vai trò quan trọng phát triển xã hội loài ngƣời kỷ XX Tuy nhiên, điện tử học kinh điển thể số mặt hạn chế, bất chấp đứng trƣớc thách thức lớn mặt nguyên lý vật lý chi phí kinh tế để sản xuất linh kiện Trong năm gần đây, nhiều tƣợng vật lý các hệ vật liệu điện, từ có đặc trƣng kích thƣớc giới hạn mở khả phát triển hàng loạt linh kiện điển tử có tính Tƣơng tác điện từ phức tạp thách thức vật liệu đa tính sắt (multiferroics) đồng thời tồn phân cực điện phân cực từ, nghĩa vật liệu đồng biểu tính chất sắt từ tính chất sắt điện Sẽ có nhiều thiết bị tổ hợp ứng dụng hiệu ứng lý thú vật liệu multiferroics nhƣ: nguyên tố nhớ nhiều trạng 10 thái, thiết bị cộng hƣởng sắt từ điều khiển điện trƣờng, chuyển đổi module áp điện có tính chất từ Vật liệu multiferroics trở thành đối tƣợng quan tâm thu hút không tính phức tạp lý thú chất vật lý chúng mà thu hút khả thu nhỏ linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc hoạt động mở khả chế tạo linh kiện tổ hợp nhiều chức chip Vì tính chất đặc biệt khả ứng dụng to lớn này, vật liệu multiferroics ngày đƣợc quan tâm nghiên cứu cách mạnh mẽ Chính vì, chọn đề tài“ Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu La2NiO4” làm đề tài cho luận văn với mong muốn đƣợc hiểu biết thêm loại vật liệu 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Văn Đăng (2013), Nghiên cứu hiệu ứng điện – từ số vật liệu multiferroics, Đề tài cấp Đại học, Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên Nguyễn Ngọc Đỉnh (2011), Chế tạo nghiên cứu số tính chất perovskite có số điện môi lớn khả ứng dụng, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN Vũ Tùng Lâm (2011), Chế tạo nghiên cứu vật liệu multiferroics LaFe3-PZR, Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN Trần Đăng Thành (2009), Chế tạo vật liệu có số điện môi khổng lồ La2-xSrxNiO4+  nghiên cứu tính chất chúng, Luận án tiến sỹ khoa học vật liệu, Viện khoa học vật liệu, Viện khoa học công nghệ Việt Nam Lƣơng Văn Việt (2012), Chế tạo, nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu perovskitec có hệ số nhiệt điện trở dương, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Lƣu Hoàng Anh Thƣ (2014), Chế tạo nghiên cứu vật liệu BiFeO3 pha tạp ion đất Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Tiếng Anh Nozaki K.(1995), “BaTiO3-based positive tempeerature coefficient of resistivity ceramics with low resistivities” , J Master Sci., 30 3395 Mahajan R.P., Patankar K.K(2000), “Electrical properties and magnetoelectric effect in MnFe2O4 and BaTiO3”, Indian Journal of Engineering and Material sciences V.7, p.203-21 Kuwabara M.(1999), “Varistor characteristics in PTCR-type (Ba, Sr)TiO3 ceramics prepared by single- step firing in air”, J Mater Sci., 34 2635 10 ejuca, Luis G (1993), Properties and applications of perovskite-type oxides, New York: Dekker, 382, ISBN 0-8247-8786-2 12 11 John Crangle (1991) Solid State Magnetism Edward Arnold Publishers ISBN 0-340-54552-6 12 Buschow K.H.J, de Boer F.R (2004) Physics of Magnetism and Magnetic Materials Kluwer Academic / Plenum Publishers ISBN 0-30648408-0 13 R Ramesh, N.A Spaldin (2007) Nature Materials 6: 21.W Eerenstein, N.D Mathur, J.F Scott (2006) Nature 442: 759., N.A Spaldin, M Fiebig (2005) Science 309: 5391 M Fiebig (2005) Journal of Physics D -Applied Physics 38: R123 14 T Adachi, N Wakiya, N Sakamoto, O Sakurai, K Shinozaki, H Suzuki, “ Spray pyrolysis of Fe3O4 – BaTiO3 composite particles” J Am Ceram Soc, 92 [S1], S177- S180 (2009) 15 B.D Stojanvic, “Mechanochemical synthesis of barium titanat”, journal of the European Ceramic Society Vol 25, 1985-1988 16 D.C Jiles (1990) Trong 1st Introduction to Magnetism and Magnetic Materials Springer; edition (December 31, 1990) ISBN 10 0412386402 17 Derek Craik (1995) Magnetism: Principles and Applications John Wiley & Sons ISBN 0-471-92959-X 18 Mahajan R.P., Patankar K.K(2000), “Electrical properties and magnetoelectric effect in MnFe2O4 and BaTiO3”, Indian Journal of Engineering and Material sciences V.7, p.203-21 20 Coey, Viret et al (2002), “Magnetic Polarons, Charge Ordering and Stripes”, Note in Internet, 24-10- 2002 21 Kuwabara M.(1999), “Varistor characteristics in PTCR-type (Ba, Sr)TiO3 ceramics prepared by single- step firing in air”, J Mater Sci., 34 (1999) 2635 13 [...]... (2011), Chế tạo nghiên cứu một số tính chất của perovskite có hằng số điện môi lớn và khả năng ứng dụng, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN 3 Vũ Tùng Lâm (2011), Chế tạo và nghiên cứu vật liệu multiferroics LaFe3-PZR, Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN 4 Trần Đăng Thành (2009), Chế tạo vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ La2-xSrxNiO4+  và nghiên cứu tính chất. .. này, vật liệu multiferroics ngày càng đƣợc quan tâm và nghiên cứu một cách mạnh mẽ Chính vì, vậy tôi chọn đề tài“ Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu La2NiO4 làm đề tài cho luận văn với mong muốn đƣợc hiểu biết thêm về loại vật liệu mới này 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Nguyễn Văn Đăng (2013), Nghiên cứu hiệu ứng điện – từ trên một số vật liệu multiferroics, Đề tài cấp Đại học, Đại học Khoa... cứu tính chất của chúng, Luận án tiến sỹ khoa học vật liệu, Viện khoa học vật liệu, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam 5 Lƣơng Văn Việt (2012), Chế tạo, nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu perovskitec có hệ số nhiệt điện trở dương, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 6 Lƣu Hoàng Anh Thƣ (2014), Chế tạo và nghiên cứu vật liệu BiFeO3 pha tạp ion đất hiếm Luận văn thạc sỹ,... module áp điện có tính chất từ Vật liệu multiferroics trở thành đối tƣợng quan tâm thu hút không chỉ vì tính phức tạp và lý thú về bản chất vật lý của chúng mà còn thu hút vì khả năng thu nhỏ linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc hoạt động và mở ra khả năng chế tạo các linh kiện tổ hợp nhiều chức năng trên cùng một chip Vì những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu multiferroics