Nghiên cứu tính chất từ và quang học của vật liệu batio3 pha tạp fe tại vùng biên pha cấu trúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ NGỌC MAI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ VÀ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Fe TẠI VÙNG BIÊN PHA CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC THÁI NGUYÊN, 5/2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC NGUYỄN THỊ NGỌC MAI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ VÀ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Fe TẠI VÙNG BIÊN PHA CẤU TRÚC 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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Thái Ngun, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Ngọc Mai i X c n h ậ n trƣởng khoa chuyên môn X c n h ậ n giảng viên hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Đăng i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Đăng - người nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Đồng cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý Công nghệ trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên giảng dạy tạo điều kiện giúp đỡ Tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành tới NCS.ThS Nguyễn Thị Dung NCS.ThS Lê Thị Tuyết Ngân hỗ trợ trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn người thân, bạn bè, đồng nghiệp khích lệ, giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Thái Nguyên, tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Ngọc Mai ii MỤC LỤC Trang iii LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU Phương pháp nghiên cứu: Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu BaTiO3 1.2 Một số tính chất điển hình vật liệu BaTiO3 1.2.1 Tính chất điện mơi vật liệu BaTiO3 1.2.2 Tính chất sắt điện sắt từ vật liệu BaTiO3 1.2.3 Một số đặc trưng quang học vật liệu BaTiO3 1.3 Một số kết nghiên cứu vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe 1.3.1 Sự chuyển pha cấu trúc từ tứ giác sang lục giác vật liệu BaTi1-xFexO3 1.3.2 Tính chất sắt điện, sắt từ vật liệu BaTi 1-xFexO3 11 Chƣơng CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 15 2.1 Chế tạo vật liệu phương pháp phản ứng pha rắn 15 2.2 Các phương pháp phân tích thành phần, cấu trúc khảo sát tính chất vật liệu 16 2.2.1 Phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lượng 16 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 17 2.2.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ 18 2.2.4 Phương pháp đo phổ huỳnh quang 19 2.2.5 Phép đo phổ cộng hưởng spin điện tử 19 iv 2.2.6 Phương pháp đo tính chất từ vật liệu 20 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Kết phân tích thành phần phổ tán sắc lượng (EDS) 21 3.2 Kết phân tích cấu trúc phương 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 26 3.5 Kết đo phổ cộng hưởng spin điện tử vật liệu 28 3.6 Kết khảo sát tính chất từ vật liệu 29 KẾT LUẬN 33 I Các kết đạt 33 II Hướng nghiên cứu 34 III Bài báo công bố 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU Các chữ viết tắt BTFO : hệ vật liệu BaTi1-xFexO3 BTO : BaTiO3 EDS : phổ tán sắc lượng ESR : phổ cộng hưởng spin điện tử FeRAMs : nhớ truy cập ngẫu nhiên sở vật liệu sắt điện FM : sắt từ MRAMs : nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính h-BTO : cấu trúc hexagonal BaTiO3 PM : thuận từ PPMS : Physical Property Measurement System t-BTO : cấu trúc tetagonal BaTiO3 XRD : nhiễu xạ tia X Các ký hiệu (ν) : hệ số hấp thụ vùng khả kiến  : góc nhiễu xạ  : bước sóng 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 mạng dhkl : khoảng cách mặt phẳng mạng vi d : độ dày mẫu I0(ν) : cường độ ánh sáng truyền tới mẫu I(ν) : cường độ ánh sáng truyền qua mẫu E : điện trường Eg : độ rộng vùng cấm Ec : lực kháng điện H : từ trường HC : lực kháng từ M : từ độ O(1) O(2) : ơxy vị trí vị trí mạng P : độ phân cực T : nhiệt độ t : thời gian TC : nhiệt độ chuyển pha sắt điện - thuận điện Ti(1) Ti(2) : titanate vị trí vị trí mạng Một số thuật ngữ đƣợc dịch từ tiếng Anh sử dụng luận án multiferroics : vật liệu đa pha điện từ orbital : quỹ đạo vi i II Hƣớng nghiên cứu Nghiên cứu hiệu ứng từ - điện vật liệu BaTi1-xFexO3 để nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu thiết bị điện tử III Bài báo cơng bố Nguyễn Chí Huy, Nguyễn Thị Ngọc Mai, Lại Thị Hải Hậu Nguyễn Văn Đăng, Sự chuyển pha cấu trúc tính chất quang - từ vật liệu BaTiO3 pha tạp Mn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên (Nhận đăng) Nguyễn Thị Ngọc Mai, Nguyễn Chí Huy, Lại Thị Hải Hậu Nguyễn Văn Đăng, Tính chất quang - từ vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe vùng biên pha cấu trúc, Tạp chí Khoa học trường Đại học Tân Trào (Nhận đăng) TÀI LIỆU THAM KHẢO I Tiếng Việt Nguyễn Văn Đăng, “Chế tạo nghiên cứu tính chất điện từ perovskite ABO3 (BaTi1-xFexO3 BaTi1-x MnxO3”, Luận án Tiến sĩ Khoa học Vật liệu, (2012) Phạm Anh Đức , “Chế tạo nghiên cứu vật liệu multiferroic cấu trúc nano cho cảm biến từ trường micro – tesla”, Luận án tiến sĩ Vật liệu linh kiện nano, (2016) Đỗ Thị Hương Giang, Vũ Nguyên Thức Nguyễn Hữu Đức, "Vật liệu multiferroics, cảm biến từ trường MERAMS hệ mới" (2009), Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, pp 202-207, (2009) II Tiếng Anh G Manfred Fiebig, Thomas Lottermoser, Dennis Meier and Morgan Trassin (2016), The evolution of multiferroics, Nature Reviews 1, 1-14 Žutić, J Fabian and S Das Sarma, "Spintronics: Fundamentals and applications", Rev Mod Phys 76, pp 323-410, (2004) N V Dang, T D Thanh, L V Hong, V D Lam, and The-Long Phan, Structural, optical and magnetic properties of polycrystalline BaTi 1xFexO3 ceramics, Journal of Applied Physics 110, pp 043914-7, (2011) Ha M Nguyen, N V Dang, Pei-Yu Chuang, T D Thanh, Chih-Wei Hu, Tsan-Yao Chen, V D Lam, Chih-Hao Lee and L V Hong, Tetragonal and hexagonal polymorphs of BaTi 1-xFexO3- multiferroics using x-ray and Raman analyses, Applied Physics Letters 99, pp 202501-3, (2011) 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) 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, (2010) 10 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 and theoretical modeling", Journal of Luminescence 126, pp 771-778, (2007) 11 Ming-Sheng Zhang, Jian Yu, Wan-chun Chen and Zhen Yin , "Optical and structral properties of pure and Ce-doped nanocrystals of barium titanate", Progress in Crystal Growth and Characteriztion of Materials 40 (1-4), pp 33-42, (2000) 12 Soumya Rajan, P.M Mohammed Gazzali, G Chandrasekaran, Impact of Fe on structural modification and room temperature magnetic ordering in BaTiO3, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 171, pp 80–89, (2017) 13 M Ikeya, New Applications of Electron Spin Resonance (World Scientific, (1993) 14 F Lin, D Jiang, X Ma and W Shi ,"Influence of doping concentration on room-temperature ferromagnetism for Fe-doped BaTiO3 ceramics", J Magn Magn Mater 320, pp 691-694, (2008) 15 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 Lett 98, 132909-3, (2011) 16 K Chikada, K Hirose, and T Yamamoto, "Analysis of Local Environment of Fe Ions in Hexagonal BaTiO3", Jpn J Appl Phys 49, pp 091502-091505, (2010) 17 F Lin, D Jiang, X Ma, and W Shi, "Effect of annealing atmosphere on magnetism for Fe-doped BaTiO3 ceramic", Physica B 403, pp 2525-2529, (2008) 18 B A Tuttle and R W Schwartz, MRS Bulletin 21, pp 49, (1996) 19 R Weiser, U Bottger, S Tiedke, "Polar Oxides, Properties, Characterization and Imaging", Wiley VCH, Weinheim, (2005) 20 K J Choi, M Biegalski, Y L Li, A Sharan, J Schubert, R Uecker, P Reiche, Y B Chen, X Q Pan, V Gopalan, L Q Chen, D G Schlom, C B Eom, "Enhancement of Ferroelectricity in Strained BaTiO3 Thin Films", Science 306, pp 1005-1009, (2004) 21 Mangalam, R V K ; Ray, Nirat ; Waghmare, Umesh V ; Sundaresan, A ; Rao, C N R, “Multiferroic properties of nanocrystalline BaTiO3” Solid State Communications, 149 (1-2) pp 1-5, (2009) 22 B Xu, K B Yin, J Lin, Y D Xia, X G Wan, J Yin, X J Bai, J Du, and Z G Liu , "Room-temperature ferromagnetism and ferroelectricity in Fe-doped BaTiO3", Phys Rev B 79, pp 134109-5, (2009) 23 S Qiu, W Li, Y Liu, G Liu, Y Wu, and N Chen , "Phase evolution and room temperature ferroelectric and magnetic properties of Fe-doped BaTiO3 ceramics", Trans Nonferrous Met Soc China 20, pp 19111915, (2010) 24 Jaspreet Kaur, R.K Kotnala, Kuldeep Chand Verma, "Multiferroic properties of Ba(FexTi1-x)O3 nanorods", Materials Letters 65, pp 31603163, (2011) 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 Nguyễn Thị Ngọc Mai, tác giả luận văn với tên đề tài: “Nghiên cứu tính chất từ quang học vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe vùng biên pha cấu trúc” 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: - Chỉnh sửa lỗi tả in ấn - Chỉnh sửa lại cách viết diễn đạt chương chương để tránh trùng lặp - Bổ sung phần nguyên lý phép đo phổ cộng hưởng spin điện tử chương - Giải thích rõ chế phổ huỳnh quang chương - Việt hóa thích hình vẽ chương - 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 Thị Ngọc Mai 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 ... đề Nghiên cứu tính chất từ quang học vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe vùng biên pha cấu trúc làm đề tài cho luận văn Mục tiêu luận văn là: Xác định vùng biên pha cấu trúc để khảo sát tính chất quang, ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI KHOA HỌC NGUYỄN THỊ NGỌC MAI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ VÀ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP Fe TẠI VÙNG BIÊN PHA CẤU TRÚC Chuyên ngành: Quang học Mã số:... 1.2.2 Tính chất sắt điện sắt từ vật liệu BaTiO3 1.2.3 Một số đặc trưng quang học vật liệu BaTiO3 1.3 Một số kết nghiên cứu vật liệu BaTiO3 pha tạp Fe 1.3.1 Sự chuyển pha cấu trúc từ