Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ tới cấu trúc, tính chất từ và quang học của vật liệu BiFeO3

Trong bài báo này, các tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ dung dịch KOH đến cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang học và tính chất từ của vật liệu BiFeO3. Đồng thời chỉ ra nồng độ dung dịch KOH thích hợp để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn pha, cải thiện tính chất từ của vật liệu ở nhiệt độ phòng.

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1A, pp 3-8 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU BiFeO3 Đào Việt Thắng1,2 , Hoàng Văn Tiến1 , Dư Thị Xuân Thảo2 , Lê Thị Mai Oanh1 , Đỗ Thu Hà3 , Nguyễn Văn Minh1 Trung tâm Khoa học Công nghệ Nano, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; Bộ mơn Vật lí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Khoa Khoa học Đại cương, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Tóm tắt Vật liệu BiFeO3 vật liệu đa pha điện từ Vật liệu hứa hẹn khả ứng dụng thiết bị điện tử như: lọc, thiết bị đọc ghi từ, thiết bị thu phát sóng siêu âm, Trong báo này, chúng tơi trình bày cách chế tạo vật liệu BiFeO3 phương pháp thủy nhiệt khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch KOH lên cấu trúc, tính chất từ tính chất quang học vật liệu Kết phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy nồng độ dung dịch KOH M, vật liệu kết tinh đơn pha cấu trúc Bằng phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy vật liệu BiFeO3 có kích thước µm, hình thái bề mặt vật liệu có thay đổi nồng độ dung dịch KOH tăng từ tới M Bề rộng vùng cấm quang vật liệu BiFeO3 thay đổi theo nồng độ dung dịch KOH Đường cong từ hóa đo hệ PPMS (mode 6000) cho thấy từ độ bão hòa (Ms) từ độ cịn dư (Mr) có thay đổi theo nồng độ dung dịch KOH Khi nồng độ dung dịch KOH M, từ độ bão hòa Ms vật liệu BiFeO3 có giá trị lớn Từ khóa: Vật liệu BiFeO3 , từ độ, KOH Mở đầu Vật liệu đa pha điện từ BiFeO3 tồn đồng thời tính chất phản sắt từ tính chất sắt điện pha cấu trúc Tính chất phản sắt từ với nhiệt độ Néel (TN ∼ 643K), tính chất sắt điện với nhiệt độ chuyển pha (TC ∼ 1100K) [1-2] Nhờ vậy, vật liệu ứng dụng lĩnh vực điện tử như: lọc, thiết bị đọc ghi từ, thiết bị thu phát sóng siêu âm, [3] Cấu trúc tính chất vật lí vật liệu bị ảnh hưởng điều kiện công nghệ chế tạo Manoj Kumar cộng [4] phương pháp sol-gel chế tạo vật liệu BiFeO3 có cấu trúc rhombohedral kèm theo pha tạp chất Bi36 Fe24 O57 Bi2 Fe4 O9 , với kính thước hạt khoảng 200 nm Nhóm tác giả nung mẫu Liên hệ: Đào Việt Thắng, e-mail: dvthangphysics@gmail.com Đ.V Thắng, H.V Tiến, D.T.X Thảo, L.T.M Oanh, Đ.T Hà, N.V Minh mơi trường khí Ar nhiệt độ 600◦ C làm giảm pha tạp chất nâng cao từ tính vật liệu BiFeO3 Jie Wei cộng [3] chế tạo vật liệu BiFeO3 dạng ống có đường kính 150 ÷ 190 nm phương pháp sol-gel Vật liệu BiFeO3 dạng ống có bề rộng vùng cấm quang 2,5 eV, thể tính chất sắt từ mềm nhiệt độ phịng Zhike Liu cộng [5] sử dụng phương pháp đồng kết tủa chế tạo hạt nano BiFeO3 có cấu trúc rhombohedral, kích thước hạt 150 ÷ 200 nm, bề rộng vùng cấm quang khoảng 2, 10 eV Tính tốn lí thuyết Kun Liu cộng [6] cho thấy với cấu trúc rhombohedral, vật liệu BiFeO3 có bề rộng vùng cấm quang 2, eV, chuyển điện tử từ trạng thái 2p − O lên trạng thái 3d − Fe Yu-Qin Zheng cộng [7] chế tạo vật liệu BiFeO3 phương pháp thủy nhiệt Nhóm nghiên cứu vật liệu có kích thc ht (khong ữ àm) v t bão hịa (khoảng 0, 067 ÷ 0, 086 emu/g) Cũng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu BiFeO3 , Jian-Ping Zhou cộng [8] vai trị KOH việc hình thành hình thái bề mặt kích thước hạt vật liệu Trong báo này, nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ dung dịch KOH đến cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang học tính chất từ vật liệu BiFeO3 Đồng thời nồng độ dung dịch KOH thích hợp để chế tạo vật liệu có cấu trúc đơn pha, cải thiện tính chất từ vật liệu nhiệt độ phòng Nội dung nghiên cứu 2.1 Thực nghiệm Vật liệu BiFeO3 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt Hóa chất sử dụng bao gồm Bi(NO3 )3 5H2 O, FeCl3 6H2 O KOH Đầu tiên, muối cân tỉ phần, sau đem hịa tan 20 ml nước cất Bước tiếp theo, nhỏ từ từ 45 ml dung dịch KOH nồng độ xác định vào hỗn hợp, tiếp tục khuấy vòng 60 phút Cuối cùng, hỗn hợp thủy nhiệt nhiệt độ 200◦ C thời gian Đem lọc rửa kết hợp sản phẩm thu với rung siêu âm nhiều lần Sản phẩm cuối sấy khô nhiệt độ 80◦ C chân khơng Cấu trúc tính chất vật liệu BiFeO3 khảo sát phép đo khác như: phép đo nhiễm xạ tia X hệ đo D8-Advanced, chụp ảnh hiển vi điện tử quét hệ đo JEOL-JSM-7600F, phép đo đường cong từ hóa hệ đo PPMS- mode 6000, phổ hấp thụ hệ đo Jasco-V670 2.2 Kết thảo luận Hình 1a biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu BiFeO3 Các mẫu chế tạo có cấu trúc rhombohedral, thuộc nhóm khơng gian R3C Các đỉnh nhiễu xạ xuất vị trí góc 2θ 22, 3◦ ; 31, 6◦ ; 31, 9◦ ; 38, 8◦ ; 39, 4◦ ; 45, 6◦ ; 51, 2◦ ; 51, 6◦ ; 56, 2◦ ; 56, 9◦ ; 66, 2◦ ; 66, 9◦ tương ứng với mặt phẳng mạng Hình 1a Trên giản đồ nhiễu xạ ta thấy mẫu ứng với nồng độ dung dịch dung dịch KOH M ngồi pha cấu trúc cịn thấy xuất thêm đỉnh pha Bi25 FeO40 Khi nồng độ dung dịch KOH tăng tới M, đỉnh đặc trưng cho pha Bi25 FeO40 có cường độ giảm, không xuất Khảo sát ảnh hưởng điều kiện cơng nghệ tới cấu trúc, tính chất từ quang học nồng độ dung dịch KOH tăng tới M, M M Hằng số mạng a c vật liệu thay đổi không đáng kể nồng độ dung dịch KOH tăng từ tới M (Hình 1b) Tuy nhiên thay đổi nồng độ dung dịch KOH có mở rộng đỉnh nhiễu xạ Kích thước hạt tinh thể tính theo cơng thức Scherrer, kết cho thấy hạt tinh thể có kích thước khoảng 50 nm mẫu có nồng độ dung dịch KOH M giảm nồng độ dung dịch KOH tăng Hình (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu BiFeO3 với nồng độ dung dịch KOH khác nhau; (b) Hằng số mạng biểu diễn theo nồng độ dung dịch KOH Hình Ảnh SEM vật liệu BiFeO3 với nồng độ dung dịch KOH M, M, M, M Đ.V Thắng, H.V Tiến, D.T.X Thảo, L.T.M Oanh, Đ.T Hà, N.V Minh Ảnh SEM vật liệu BiFeO3 tương ứng với việc sử dụng nồng độ dung dịch KOH M, M, M, M trình chế tạo Hình Đối với mẫu tương ứng với nồng độ dung dịch KOH M, M hình thái bề mặt khơng đồng đều, kích thức hạt khoảng 2µm Khi sử dụng nồng độ dung dịch KOH M M mẫu có hình thái bề mặt đồng hơn, kích thước hạt giảm so với mẫu tương ứng với nồng độ dung dịch KOH M M Kết cho thấy nồng độ dung dịch KOH có ảnh hưởng tới hình thái bề mặt kích thước hạt vật liệu Zhou [8] cho nồng độ dung dịch KOH thấp không làm thay đổi lượng bề mặt hạt BiFeO3 , hạt nhỏ BiFeO3 hình thành kết hợp với cách ngẫu nhiên, làm cho hình thái bề mặt khơng đồng Khi nồng độ dung dịch KOH lớn làm thay đổi lượng bề mặt hạt BiFeO3 , hạt hình thành xếp định hướng hơn, làm cho hình thái bề mặt đồng Phổ hấp thụ vật liệu BiFeO3 với nồng độ dung dịch KOH khác trình bày Hình 3a Trên phổ xuất đỉnh hấp thụ vị trí 550 nm, đỉnh có liên quan tới chuyển dời điện tử từ trạng thái 2p O lên trạng thái 3d Fe [5-6] Chúng tơi tính bề rộng vùng cấm quang biểu diễn (αhv)2 theo hv (minh họa Hình 3a) Kết cho thấy bề rộng vùng cấm quang Eg giảm nồng độ dung dịch KOH tăng từ tới M Khi nồng độ dung dịch KOH tăng đến M M, bề rộng vùng cấm quang Eg có giá tăng (Hình 3b) Như đề cập nồng độ dung dịch KOH có ảnh hưởng tới hình thành kích thước hạt vật liệu, kích thước hạt giảm làm cho bề rộng vùng cấm quang vật liệu tăng Điều cho thấy có phù hợp ảnh SEM Eg tính tốn được, phù hợp với nghiên cứu Jie Wei [3] Zhike Liu [5] Ngoài ra, phổ hấp thụ có thêm bờ hấp thụ khoảng bước sóng 675 ÷ 750 nm Sự chuyển dời điện tử từ mức lượng t2g lên mức lượng eg tạo nên bờ hấp thụ [6] Hình (a) Phổ hấp thụ vật liệu BiFeO3 với nồng độ dung dịch KOH khác (b) Bề rộng vùng cấm quang vật liệu thay đổi theo nồng độ dung dịch KOH Hình 4a biểu diễn đường cong từ hóa hệ vật liệu BiFeO3 đo nhiệt độ phòng với từ trường cực đại 12 kOe Tất mẫu thể tính chất sắt từ yếu Các mẫu tương ứng với nồng độ dung dịch KOH 4, 5, 6, M từ độ bão hòa Ms có giá trị 0,177; 0,099; 0,074; 0,212 0,107 emu/g, từ độ cịn dư Mr có giá trị 0,023; 0,015; 0,006; Khảo sát ảnh hưởng điều kiện cơng nghệ tới cấu trúc, tính chất từ quang học 0,025 0,016 emu/g Sự thay đổi từ độ bão hòa Ms từ độ dư Mr theo nồng độ dung dịch KOH Hình 4b Các mẫu tương ứng với nồng độ dung dịch KOH M đóng góp vào từ tính vật liệu ngồi pha cấu trúc BiFeO3 cịn có thêm đóng pha tạp chất Bi25 FeO40 [7] Vì mẫu có giá trị Ms lớn hớn so với mẫu với nồng độ dung dịch KOH M Như giản đồ nhiễu xạ tia X, cường độ đỉnh đặc trưng cho pha Bi25 FeO40 giảm nồng độ dung dịch KOH tăng từ tới M Đây nguyên nhân làm cho từ độ Ms giảm nồng độ dung dịch KOH tăng từ tới M Khi nồng độ dung dịch KOH M, từ độ bão hịa Ms vật liệu có giá trị lớn Tăng nồng độ dung dịch KOH tới M, Ms mẫu có giá trị giảm lớn Ms mẫu ứng với nồng độ dung dịch KOH M Từ kết ảnh SEM cho thấy mẫu ứng với nồng độ dung dịch KOH M có kích thước hạt nhỏ hình thái bề mặt đồng so với mẫu cịn lại Vì vậy, chúng tơi cho nguyên nhân làm cho từ độ mẫu ứng nồng độ dung dịch KOH M có giá trị lớn Hình (a) Đường cong từ hóa vật liệu BiFeO3 với nồng độ KOH khác nhau; (b) Từ độ bão hòa Ms, từ độ dư Mr thay đổi theo nồng độ KOH Kết luận Mẫu BiFeO3 chế tạo thành công phương pháp thủy nhiệt với nồng độ dung dịch KOH khác Khi nồng độ KOH ≤ M, mẫu chế tạo tồn đồng thời pha BiFeO3 pha Bi25 FeO40 , pha Bi25 FeO40 có đóng góp vào từ tính mẫu chế tạo Khi nồng độ KOH > M, mẫu chế tạo tồn pha BiFeO3 không thấy xuất pha Bi25 FeO40 Các kết nghiên cứu cho thấy nồng độ dung dịch KOH ảnh hưởng tới thơng số cấu trúc tinh thể pha BiFeO3 có ảnh hưởng tới hình thành hình thái bề mặt kích thước hạt vật liệu Kích thước hạt giảm làm bề rộng vùng cấm quang vật liệu tăng Hình thái bề mặt đồng kích thước hạt nhỏ nguyên nhân làm tăng từ độ bão hòa vật liệu Trong giới hạn nghiên cứu, nồng độ dung dịch KOH có giá trị M, hình thành tinh thể tính chất từ vật liệu liệu tốt Lời cảm ơn: Bài báo thực hỗ trợ đề tài NCKH cấp Cơ sở năm 2014 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đ.V Thắng, H.V Tiến, D.T.X Thảo, L.T.M Oanh, Đ.T Hà, N.V Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W Eerenstein, N.D Mathur, and J.F Scott, 2006 Multiferroic and magnetoelectric materials Nature 442, pp 759 - 765 [2] Wang J, Neaton JB, and Zheng H, 2003 Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures J Sci 299, pp 1719-1722 [3] Jie Wei, Desheng Xue, and Yan Xu, 2008 Photoabsorption characterization and magnetic property of multiferroic BiFeO3 nanotubes synthesized by a facile sol-gel template process Scripta Mater 58, pp 45-48 [4] Manoj Kumar, K.L Yadav, and G.D Varma, 2008 Large magnetization and weak polarization in sol-gel derived BiFeO3 ceramics Mater Lett 62, pp 1159-1161 [5] Zhike Liu, Yajun Qi, and Chaojing Lu, 2010 High efficient ultraviolet photocatalytic activity of BiFeO3 nanoparticles synthesized by a chemical coprecipitation process J Mater Sci: Mater Electron 21, pp 380-384 [6] Kun Liu, Huiqing Fan, Pengrong Ren, and Chao Yang, 2011 Structural, electronic and optical properties of BiFeO3 studied by first-principles J Alloys Compd 509, pp 1901-1905 [7] Yu-Qin Zheng, Guo-Qiang Tan, Hong-Yan Miao, Ao Xia, and Hui-Jun Ren, 2011 Self-assembly growth of BiFeO3 powders prepared by microwave-hydrothermal method Mater Lett 65, pp 1137-1140 [8] Jian-Ping Zhou, Ruo-Lin Yang, Rui-Juan Xiao, Xiao-Ming Chen, and Chao-Yong Deng, 2012 Structure and phase transition of BiFeO3 cubic micro-particles prepared by hydrothermal method Mater Res Bull 47, pp 3630-3636 ABSTRACT Survey of the influence of technological conditions on the structure, magnetic properties and optical properties of BiFeO3 materials BiFeO3 are multi-phase materials which have potential applications for electronic devices such as filters, reading and writing magnetization devices and transceiver ultrasonic devices In this report, BiFeO3 materials were synthesized using the hydrothermal method and the effect of the KOH concentration on the structure, magnetic properties, and optical properties of this material were investigated The results of X-ray diffraction (XRD) showed that when KOH concentration was 7M, the BiFeO3 material had a single phase structure The imaging scanning electron microscopy method (SEM) showed that the particle size of the BiFeO3 material was 2µm and the surface morphology of the material changed when the KOH concentration increased from 4M to 8M The band gap of the BiFeO3 materials changed when the KOH concentration changed The magnetization curves measured on the PPMS system (mode 6000) showed that the saturation magnetization (Ms) and remnant magnetization (Mr) changed with KOH concentration When KOH concentration was 7M, the saturation magnetization Ms of the BiFeO3 material had the greatest value ... 0,107 emu/g, từ độ cịn dư Mr có giá trị 0,023; 0,015; 0,006; Khảo sát ảnh hưởng điều kiện công nghệ tới cấu trúc, tính chất từ quang học 0,025 0,016 emu/g Sự thay đổi từ độ bão hòa Ms từ độ dư Mr... thái bề mặt kích thước hạt vật liệu Trong báo này, nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ dung dịch KOH đến cấu trúc, hình thái bề mặt, tính chất quang học tính chất từ vật liệu BiFeO3 Đồng thời nồng độ... pha tạp chất nâng cao từ tính vật liệu BiFeO3 Jie Wei cộng [3] chế tạo vật liệu BiFeO3 dạng ống có đường kính 150 ÷ 190 nm phương pháp sol-gel Vật liệu BiFeO3 dạng ống có bề rộng vùng cấm quang