Trong những năm gần đây vật liệu Perovskite đã thu hút được nhiều sự chú ý bởi chúng thể hiện những tính chất thú vị, thể hiện các ứng dụng tiềm năng trong thương mại, kỹ thuật cao, y sinh học. Tại Việt Nam vật liệu Perovskite được quan tâm nghiên cứu , đặc biệt là các hạt nano Perovskite và ứng dụng rất mạnh nhưng với hướng nghiên cứu chủ yêu là đi sâu tính vào tính chất điện và tính chất từ. Các vật liệu Perovskite được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp gốm, bốc bay nhiệt, nguội nhanh nhưng cũng có thể được chế tạo bằng phương pháp hoá như phương pháp đồng kết tủa hay phương pháp sol – gel. Phương pháp sol – gel là phương pháp đơn giản nhưng có khả năng tạo ra nhưng hạt nano với độ đống đều cao.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ KHOA HỐ HỌC ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN Tìm hiểu cấu trúc mạng tinh thể ứng dụng Perovskite GVHD: TS PGS Trần Ngọc Tuyền Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Hồn Lớp: HốK36 Huế, 12/2015 MỞ ĐẦU Trong năm gần vật liệu Perovskite thu hút nhiều ý chúng thể tính chất thú vị, thể ứng dụng tiềm thương mại, kỹ thuật cao, y sinh học Tại Việt Nam vật liệu Perovskite quan tâm nghiên cứu , đặc biệt hạt nano Perovskite ứng dụng mạnh với hướng nghiên cứu chủ yêu sâu tính vào tính chất điện tính chất từ Các vật liệu Perovskite chế tạo nhiều phương pháp khác phương pháp gốm, bốc bay nhiệt, nguội nhanh chế tạo phương pháp hoá phương pháp đồng kết tủa hay phương pháp sol – gel Phương pháp sol – gel phương pháp đơn giản có khả tạo hạt nano với độ đống cao Trên sở trình bày trên, lựa chọn vấn đề sâu vào tìm hiểu tiểu luận là: “Tìm hiểu cấu trúc mạng tinh thể ứng dụng Perovskite” Nhằm giới thiệu đưa nhìn tổng quát : Lịch sử phát Perovskite Cấu trúc Perovskite Tính chất Perovskite Các phương pháp sản xuất Các nghiên cứu ứng dụng quan trọng 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mẫu quặng Perovskite tìm thấy Hình 2.1: Tế bào mạng lưới CaTiO3 Hình 2.2: Tế bào CaTiO3 mạng lưới Hình 2.3: Cấu trúc tính thể vật liệu ABO3 (a,b) méo mạng tinh thể (c) Hình 4.1: Sơ đồ tổng hợp oxit phức hợp phương pháp sol – gel Hình 5.1: Cường độ chiếu sáng vào kính thơng thường so với kính thơng minh Hình 5.2: Ngun tắc hoạt động kính thơng minh Hình 5.3: Cấu tạo kính thơng minh Hình 5.4: Hiệu ứng áp điện gốm áp điện Hình 5.5: Hiệu ứng áp điện pha DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Một số hợp chất kết tinh theo kiểu Perovskite Bảng Tính chất đặc trưng số Perovskite 4 MỤC LỤC LỊCH SỬ PHÁT HIỆN PEROVSKITE[1] Perovskite tên gọi chung vật liệu có cấu trúc tinh thể tương tự cấu trúc khoáng vật canxi titanat (CaTiO3) Tên gọi Perovskite đặt theo tên nhà khoáng vật học người Nga L A Perovski (1792-1856), người có cơng nghiên cứu phát vật liệu vùng núi Uran Nga vào năm 1839 Hình 1.1: Mẫu quặng Perovskite tìm thấy Khống Perovskite có nhiều dạng khoáng vật tự nhiên vùng núi Uran Thụy Sĩ, … Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nên Perovskite có mặt nhiều ứng dụng coi vật liệu lý thú Nhà vật lý người Ấn Độ C N R Rao phát biểu Perovskite trái tim vật lý chất rắn CẤU TRÚC PEROVSKITE Cấu trúc quan tâm nghiên cứu đa dạng tính chất nhiệt độ khác Cấu trúc Perovskite ABO3 H.D.Megaw phát lần năm 1864 khoáng chất CaTiO3 Mạng lưới thuộc hệ lập phương, cation Ti 4+ nằm tâm lập phương, anion O2- nằm tâm mặt, ion Ca 2+ nằm đỉnh Mỗi tế bào chứa tế bào chứa phân tử CaTiO3 Hình 2.1: Tế bào mạng lưới CaTiO3 Vị trí tiểu phân mạng lưới tinh thể CaTiO3: A (0, 0, 0); B (1/2, 1/2, 1/2); O (0, 1/2, 1/2); (1/2, 0, 1/2); (1/2, 1/2, 0) - Có thể mơ tả tế bào Perovskite theo cách sau: + Cation Ti4+ nằm đỉnh toạ độ (0, 0, 0) có số phối trí = Độ dài liên kết Ti-O = a/2 + Cation Ca2+ nằm tâm tế bào có toạ độ (1/2, 1/2, 1/2) có số phối trí = 12 Khoảng cách Ca-O = + Anion O2- nằm tâm cạnh có toạ độ (1/2, 0, 0) Mỗi ion O 2- bao quanh ion Ti4+ ion Ca2+ 6 Hình 2.2: Tế bào CaTiO3 mạng lưới Kiểu cấu trúc Perovskite gồm số lượng lớn chất vơ có cơng thức tổng quát ABX3 Trong X oxi halogen A cation kim loại kiềm thổ, đất kiếm, Tuỳ theo ngun tố vị trí B mà phân thành nhiều họ Perovskite khác Ví dụ B = Mn ta có họ manganite, B = Ti ta có họ titanat Ơ mạng sở hình lập phương với số mạng a = b = c α = β = γ = 90o Thơng thường: A cation có kích thước lớn, B cation có kích thước bé Các cation A nằm vị trí có số phối vị 12 với ion lân cận anion Oxy Các cation B nằm tâm bát diện (số phối vị 6) với anion Oxy nằm đỉnh bát diện Đặc trưng cấu trúc Perovskite A với X tạo thành mạng lưới xếp khít lập phương tâm mặt, B có kích thước bé nằm tâm khối lập phương Cấu trúc tinh thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác trực giao hay trực thoi ion A B bị thay với nguyên tố khác Tổng diện tích dương A B phải tổng điện tích âm X Do đó: + Tổ hợp có hợp chất ABO3 là: +1 +5, +2 +4, +3 +3 + Tổ hợp hợp chất ABX3 là: +1 +2 Bảng Một số hợp chất kết tinh theo kiểu Perovskite Điện tích cation A B Hợp chất Perovskite +1 +5 NaNbO3, KNbO3, AgNbO3, AgTaO3 +2 +4 +3 +3 LaAlO3, TiTiO3, LaCrO3, LaMnO3, LaFeO3 +1 +1 KMgF3, KNiF3, KZnF3 SrTiO3, CaTiO3, BaTiO3, SrZrO3, SrHfO3, BaZrO3, BaSnO3, BaCeO3, BaThO3, BaPrO3 Với cấu trúc lý tưởng vật liệu ABO3 hình lập phương có mối liên hệ bán kính ion nguyên tố là: rA + rO = (rB + rO) Trong rA, rB, rO bán kính ion nguyên tố A, B, Oxy Tuy nhiên, thay ngun tố A B có bán kính cation thay đổi cấu trúc mạng tinh thể lập phương bị méo theo trình tự tăng dần sau đây: trực thoi, mặt thoi, tứ giác, đơn tà tam tà Hình 2.3: Cấu trúc tính thể vật liệu ABO3 (a,b) méo mạng tinh thể (c) Để đặc trưng cho mức độ méo mạng tinh thể ABO (điều kiện bền vững cấu trúc Perovskite), V.Gold Schmidt đưa định nghĩa thừa số Gold Schimidt t: (trong ra, rb, ro bán kính ion vị trí A, B, O) 8 Cấu trúc Perovskite coi ổn định 0,79 < t sol => Gel Oxide phức hợp Aerogel 15 Hình 4.1 Sơ đồ tổng hợp oxit phức hợp phương pháp sol – gel Bằng phương pháp sol – gel tổng hợp oxit phức hợp siêu mịn (d