Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc và tính chất quang từ của vật liệu batio3 pha tạp mn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN CHÍ HUY NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG – TỪ CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Mn LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Thái Nguyên - 5/2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN CHÍ HUY NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG – TỪ CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Mn Chuyên ngành : Quang học Mã số : 844 01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Đăng Thái Nguyên - 5/2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, kết nghiên cứu trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Chí Huy Xác nhận Xác nhận trƣởng khoa chuyên môn giảng viên hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Đăng ii LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu chuyển pha cấu trúc tính chất quang-từ vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp sau hai năm theo học chƣơng trình cao học chuyên ngành Quang học trƣờng ĐH Khoa học – ĐH Thái Ngun Để hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện đề tài, lời tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Văn Đăng – ngƣời trực tếp bảo hƣớng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn đến NCS ThS Nguyễn Thị Dung NCS.ThS Lê Thị Tuyết Ngân hỗ trợ q trình thực luận văn Ngồi tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa Vật lý Công Nghệ – Trƣờng ĐH Khoa học đóng góp ý kiến quý báu, tạo điều kiện thời gian, sở vật chất, thiết bị cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln bên, động viên, góp ý để tơi hồn thành khóa học luận văn Trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 12 tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Chí Huy iii iiii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU v Các chữ viết tắt v Các ký hiệu v Một số thuật ngữ đƣợc dịch từ tiếng Anh sử dụng luận án vi DANH MỤC VẼ CÁC vii BẢNG .viii DANH HÌNH MỤC MỞ CÁC ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu BaTiO3 1.1.1 Cấu trúc lập phƣơng BaTiO3 1.1.2 Cấu trúc tứ giác BaTiO3 1.1.3 Cấu trúc lục giác BaTiO3 1.2 Cấu trúc vùng lƣợng số đặc trƣng quang học vật liệu BaTiO3 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn .9 1.3.1 Sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác vật liệu BaTi1xMnxO3 1.3.2 Một số kết khảo sát tính chất từ vật liệu BaTi1-xMnxO3 11 1.3.3 Một số kết khảo sát tính chất quang vật liệu BaTi1-xMnxO3 12 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 14 2.1 Công nghệ chế tạo mẫu .14 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát cấu trúc tính chất điện, từ vật liệu 15 2.2.1 Phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lƣợng 15 iv 2.2.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 16 2.2.3 Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ 17 2.2.4 Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ tia X 19 2.2.5 Phƣơng pháp đo phổ huỳnh quang 20 2.2.6 Phƣơng pháp đo tính chất từ vật liệu 20 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Kết phân tích thành phần phổ tán sắc lƣợng (EDS) 21 3.2 Kết phân tích cấu trúc phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 22 3.3 Kết khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến hồng ngoại (UV-Vis) vật liệu 24 3.4 Kết nghiên cứu phổ huỳnh quang vật liệu 25 3.5 Kết khảo sát hóa trị trƣờng địa phƣơng Mn vật liệu BaTi1-xMnxO3 phổ hấp thụ tia X .27 3.6 Kết khảo sát tính chất từ vật liệu .29 KẾT LUẬN 32 I Các kết đạt đƣợc 32 II Hƣớng nghiên cứu 33 III Bài báo công bố 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU Các chữ viết tắt AFM : phản sắt từ BTMO : hệ vật liệu BaTi1-xMnxO3 BTO : BaTiO3 ĐNX : đỉnh nhiễu xạ EDS : phổ tán sắc lƣợng FeRAMs : nhớ truy cập ngẫu nhiên sở vật liệu sắt điện FM : sắt từ h-BTO : cấu trúc hexagonal BaTiO3 PM : thuận từ t-BTO : cấu trúc tetagonal BaTiO3 VNX : vạch nhiễu xạ XRD : nhiễu xạ tia X Các ký hiệu  : góc nhiễu xạ 3d : kim loại chuyển tiếp A : vị trí ion đất cấu trúc perovskite ABO3 B : vị trí ion kim loại chuyển tiếp cấu trúc perovskite ABO3 Ba(1) Ba(2) : barium vị trí vị trí ô mạng dhkl : khoảng cách mặt phẳng mạng E : điện trƣờng vi f : tần số H : từ trƣờng M : từ độ O(1) O(2) : ơxy vị trí vị trí mạng P : độ phân cực R : điện trở r : bán kính T : nhiệt độ t : thời gian TC : nhiệt độ chuyển pha sắt điện - thuận điện Ti(1) Ti(2) : titanate vị trí vị trí ô mạng U : hiệu điện ρ : điện trở suất Một số thuật ngữ đƣợc dịch từ tiếng Anh sử dụng luận án multferroics : vật liệu đa pha điện từ orbital : quỹ đạo vii viiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Quá trình chuyển pha cấu trúc nhiệt độ chuyển pha vật liệu BTO (các đƣờng chấm giả định cấu trúc lập phƣơng) Hình 1.2 Cấu trúc lập phƣơng BTO Hình 1.3 Vị trí ion cấu trúc tứ giác Hình 1.4 Cấu trúc lục giác BaTiO3 vị trí nguyên tử Hình 1.5 Mơ hình thí nghiệm để xác định đặc trƣng hấp thụ tia UV BTO Hình 1.6 Mơ hình chuyển mức vật liệu BTO chiếu đồng thời tia UV chùm ánh sáng đỏ từ đầu dò laser HeNe, β hệ số kích thích nhiệt Hình 1.7 (a) Độ rộng vùng cấm (Eg) áp suất chuyển pha kim loại điện môi (PIM) phụ thuộc khoảng cách Ti-O ba ttanates: SrTiO3, h-BTO c-BTO;(b) Mơ hình cấu trúc vùng lƣợng perovskite titanates Hình 1.8 (a) Cấu trúc vùng lƣợng BaTiO3 theo tính toán lý thuyết; (b) Phổ hấp thụ mẫu BTO, BTO +1.0 wt.% Fe2O3 Fe2O3 Hình 1.9 Phổ hấp thụ hiệu ứng đổi màu từ vàng nhạt sang nâu sẫm mẫu nano tinh thể BTO trƣớc (a) sau (b) chiếu xạ UV Hình 1.10 Tính sắt từ vật liệu nano tinh thể BTO tăng mạnh, sau chiếu xạ UV Hình 1.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu Ba (Ti1-xMnx)O3 (0 ≤ x ≤ 0.10).10 Hình 1.13 Tỷ lệ hai pha cấu trúc vật liệu Ba(Ti1-xMnx)O3 thay đổi theo nồng độ thay Mn 10 Hình 1.14 Giản đồ pha từ tính hệ vật liệu BaTi1-xMnxO3 (0.0 x  0.5) 11 Hình 1.15 Đƣờng trễ sắt từ đo nhiệt độ khác màng mỏng vật liệu Ba(Ti1-xMnx)O3 pha tạp 5% Mn 11 Hình 1.16 Sự phụ thuộc bình phƣơng độ hấp thụ (α ) theo lƣợng hệ BaTi1-xMnxO3 12 10 Yukikuni Akishige, Youichi Yamazaki and Nobuo Môri, "Pressure Induced Insulator-Metal Transition in Hexagonal BaTiO3-δ", Journal of the Physical Society of Japan 73 (5), pp 1267-1272, (2004) 11 H.T Langhammer, T Müller, A Polity, K.-H Felgner, H.-P Abicht, "Influence of strontium on manganese-doped barium ttanate ceramics", Mater Lett 42, pp 21-24, (2000) 12 Zhang P, Phan TL, mechanical-milled Yu SC “Defect-induced BaTi0.98Mn0.02O3 ferromagnetsm nanoparticles”, J of Nanosci Nanotechnol 14 (10), 7865-9, (2014) 13 A.P Ramirez, Colossal magnetoresistance, Journal of Physics: Condensed Matter 9, 8171, (1997) 14 Hidesada Natsui, Chikako Moriyoshi, Fumiko Yoshida, Yoshihiro Kuroiwa, Tatsuya Ishii, Osamu Odawara, Jianding Yu, and Shinichi Yoda, Nanosized hexagonal Mn- and Ga-doped BaTiO3 with reduced structural phase transition temperature, Appl Phys Let 98, 132909-3, (2011) 15 Yao Shuai, Shengqiang Zhou and Heidemarie Schmidt, Electrical and Magnetc Properties of Polycrystalline Mn-Doped BaTiO3 Thin Films Grown on Pt/Sapphire Substrates by Pulsed Laser Deposition, Advances in Science and Technology 67, 212-217, (2010) 16 J M D Coey, "d Ferromagnetism", Solid State Sci 7, pp 660-667, (2005) 17 R V K Mangalam, Nirat Ray, Umesh V Waghmare, A Sundaresan and C N R Rao, "Multferroic propertes of nanocrystalline BaTiO3", Solid State Communications 149, pp.15, (2008) 18 J E Penner-hahn, “X-ray absorption spectroscopy”, Comprehensive Coordinaton Chemistry II, Volume 2, ISBN 0-08-0443249, pp 159-186, (2003) 19 Graeme Ross, Germano Montemezzani, Pietro Bernasconi, Marko Zgonik, and Peter Guănter, “Strong ultraviolet induced absorption and absorption gratings in BaTiO3”, J Appl Phys.79 (7), pp 3665-3668, (1996) 20 Shubin Qin, Duo Liu, Zhiyuan Zuo, Yuanhua Sang, Xiaolin Zhang, Feifei Zheng, Hong Liu, and Xian-Gang Xu, “UV-Irradiation-Enhanced Ferromagnetism in BaTiO3”, J Phys Chem Lett 1, pp 238-241, (2010) 21 Yao Shuai, Shengqiang Zhou, Danilo Bürger, Helfried Reuther, Ilona Skorupa, Varun John, Manfred Helm, and Heidemarie Schmidt, "Decisive role of oxygen vacancy in ferroelectric versus ferromagnetic Mn-doped BaTiO3 thin films", J Appl Phys 109, pp 084105-084113, (2011) 22 Yudan Zhu, Dazhi Sun, Qiong Huang, Xueqing Jin, Heng Liu, "UV–visible spectra of perovskite iron-doped Ba0.72Sr0.28TiO3", Materials Letters 62, pp 407-409, (2008) 23 J R Sambrano, E Orhan, M F C Gurgel, A B Campos, M S Góes, C O Paiva-Santos, J.A Varela, E Longo, “Theoretical analysis of the structural deformation in Mn-doped BaTiO3”, Chemical Physics Letters 402, pp 491-496, (2005) 24 M F C Gurgel, J W M Espinosa, A B Campos, I L V Rosa, M R Joya, A G Souza, M A Zaghete, P S Pizani, E R Leite, J A Varela, E Longo, "Photoluminescence of crystalline and disordered BTO:Mn powder: Experimental Luminescence 126, pp 771-778, (2007) and theoretical modeling", Journal of Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc GIẤY XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên tơi Nguyễn Chí Huy, tác giả luận văn với tên đề tài: “Nghiên cứu chuyển pha cấu trúc tính chất quang - từ vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn” bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ trường Đại học Khoa học ngày 10 tháng năm 2018 Theo góp ý Hội đồng, tơi bổ sung chỉnh sửa nội dung sau: - Bổ sung danh mục chữ viết tắt ký hiệu cho phù hợp - Chỉnh sửa lại số thuật ngữ khoa học cho thống xác - Chỉnh sửa lỗi tả in ấn, bổ sung mục 2.2.5 phần Mục lục - Chỉnh sửa lại Hình 3.2; 3.2; 3.3 cho đầy đủ thơng tn biện luận, giải thích rõ chế hiệu ứng vật lý thu - Chỉnh sửa thống cách viết tài liệu tham khảo Tôi xin trân trọng đề nghị Hội đồng xác nhận việc chỉnh sửa cho phép làm thủ tục xin cấp Thạc sĩ khoa học Thái Nguyên, ngày 25 tháng năm 2018 Cán hướng dẫn khoa học Học viên PGS.TS Nguyễn Văn Đăng Nguyễn Chí Huy KT CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (Theo QĐ 411/ĐHKH- ĐT ngày 30/5/2018 Hiệu trưởng trường Đại học Khoa học việc giao nhiệm vụ ký xác nhận giải trình sửa chữa, bổ sung luận văn thạc sĩ học viên cao học) TS Nguyễn Xuân Ca ... Nghiên cứu chuyển pha cấu trúc tính chất quang - từ vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn cho luận văn Đối tƣợng nghiên cứu luận văn: Tập trung nghiên cứu chuyển pha cấu trúc tính chất quang - từ vật liệu. .. đặc trƣng quang học vật liệu BaTiO3 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn .9 1.3.1 Sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác vật liệu BaTi1xMnxO3 ... KHOA HỌC NGUYỄN CHÍ HUY NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG – TỪ CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Mn Chuyên ngành : Quang học Mã số : 844 01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC Ngƣời hƣớng