Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu la2nio4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG 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 TRƯỜNG 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trước 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 hướng 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 – Trường 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 mơn Hóa học vơ tạo điều kiện, giúp đỡ em mặt thiết bị hóa chất, cung cấp cho em kiến thức quý báu q trình chế tạo mẫu Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới người thân, anh,em, bạn bè động viên giúp đỡ nhiều để thực luận văn Mặc dù cố gắng để hoàn thành luận văn cách hồn chỉnh song khơng tránh khỏi thiếu sót.Rất mong nhận đóng góp quý báu thầy cô bạn để luận văn hoàn chỉnh Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2014 Học Viên Lê Vũ Đạt MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Vật liệu Perovskite 11 1.1.1 Cấu trúc Perovskite 11 1.1.2 Liên kết mạng Perovskite 12 1.1.3 Vật liệu Perovskite sắt từ 14 1.1.4 Vật liệu Perovskite sắt điện 14 1.2 Vật liệu BaTiO3 19 1.3 Vật liệu La2NiO4 20 1.4 Vật liệu multiferroics 20 1.4.1 Phương pháp sol- gel 22 1.4.2 Phương pháp phản ứng pha rắn (phương pháp gốm) .23 CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU 24 2.1 Chế tạo La2NiO4 phương pháp sol- gel 24 2.2 Chế tạo BaTiO3 phương pháp thủy nhiệt (sử dụng BaTiO3 chế tạo sẵn) 26 2.3 Phương pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x phương pháp nghiền trộn pha rắn 29 2.4 Phương pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x phương pháp sol- gel (phương pháp lõi vỏ) 30 2.5 Nhiễu xạ kế tia X 31 2.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 2.7 Hệ đo tính chất từ VSM 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Cấu trúc 37 3.1.1 Cấu trúc vật liệu La2NiO4 37 3.1.2 Cấu trúc hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x 39 3.2 Sự phụ thuộc điện trở suất hệ vật liệu vào nhiệt độ 46 3.3 Sự phụ thuộc số điện môi hệ vật liệu vào nhiệt độ 47 3.4 Sự phụ thuộc tính chất từ hệ vật liệu vào nhiệt độ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 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 đơn vị chiều dài, gam đơn vị khối lượng, 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 : Phương pháp phân tích phổ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.1 Bán kính ion thơng 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 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 Đơmen 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 khơ 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 pháp sol- gel 28 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 phương pháp sol- gel với giá trị x khác 38 Hình 3.1.2.2 Giản đồ Xray hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo phương pháp nghiền trộn với giá trị x khác 38 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 mơi 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 tồn cầu Cơng nghệ xem yếu tố quan trọng nhất, định trực tiếp đến tăng suất, hiệu quả, chất lượng sản phẩm thúc đẩy tăng trưởng kinh tế Trong hướng cơng nghệ cơng nghệ vật liệu hướng công nghệ cao ưu tiên hàng đầu Sự phát chất liệu cho ứng dụng công nghệ mở nhiều cánh cửa cho tiến vượt bậc kỷ 20 Trong vật liệu có từ tính đặc biệt sử dụng ngành cơng nghiệp điện tử tạo cách mạng cơng nghệ thơng tin Ngày có nhiều phát minh tiến khoa học cơng bố, từ tài liệu tính chất quan trọng nhiều loại vật liệu định hướng để ứng dụng vào mục đích thực tế Phương pháp thực nghiệm đưa đến mục đích lớn hiểu rõ số tính chất sẵn có chất vật liệu, việc cải tiến vật liệu để có đặc tính vượt trội phục vụ cho ứng dụng mang đến tính cách mạng thúc đẩy phát triển vượt 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 – cơng nghệ đóng vai trị quan trọng phát triển xã hội loài người kỷ XX Tuy nhiên, điện tử học kinh điển thể số mặt hạn chế, bất chấp đứng trước thách thức lớn mặt nguyên lý vật lý chi phí kinh tế để sản xuất linh kiện Trong năm gần đây, nhiều tượng vật lý các hệ vật liệu điện, từ có đặc trưng kích thước giới hạn mở khả phát triển hàng loạt linh kiện điển tử có tính Tương 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 như: nguyên tố nhớ nhiều trạng thái, thiết bị cộng hưởng sắt từ điều khiển điện trường, chuyển đổi module áp điện có tính chất từ Vật liệu multiferroics trở thành đối tượng quan tâm thu hút không tính phức tạp lý thú chất vật lý chúng mà cịn 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 quan tâm nghiên cứu cách mạnh mẽ Chính vì, tơi chọn đề tài“ Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu La 2NiO4” làm đề tài cho luận văn với mong muốn hiểu biết thêm loại vật liệu 10 ... Ngoài vật liệu PFN, số vật liệu Multiferroics có dạng cơng thức AB1-xB’xO3 PbFe1/2W1/2O3 chế tạo nghiên cứu Sau nhiều nhóm nghiên cứu cơng bố kết nghiên cứu tính chất Multiferroics vật liệu đơn chất, ... Kết nghiên cứu vật liệu Multiferroics dạng đơn chất: Vật liệu biết đến nhiều hợp chất GdFe 3(BO3)4 Vật liệu có nhóm BO3 có tính sắt điện ion Fe 3+ có tính sắt từ Yang cộng chế tạo thành công chất. .. hợp hai loại vật liệu tạo hệ vật liệu tồn trạng thái sắt điện sắt từ pha vật liệu Vật liệu Multiferroics (La2NiO4) 1-x(BaTiO3)x chế tạo phương pháp nghiền trộn từ hai vật liệu BaTiO3 La2NiO4 cách