Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến một số tính chất quang, điện của hệ gốm BNKT

Hệ gốm sắt điện không chì Bi0,5(Na0,82K0,18)0.5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt là BNKT-xNb), với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, đã được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống. Ảnh hưởng của nồng độ Nb đến vi cấu trúc và một số tính chất quang, điện của hệ gốm đã được nghiên cứu chi tiết.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ Nb ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG, ĐIỆN CỦA HỆ GỐM BNKT Phan Đình Giớ*, Lê Thị Ánh Nhạn Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: pdg_55@yahoo.com Ngày nhận bài: 8/8/2019; ngày hoàn thành phản biện: 8/8/2019; ngày duyệt đăng: 20/12/2019 TĨM TẮT Hệ gốm sắt điện khơng chì Bi0,5(Na0,82K0,18)0.5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt BNKT-xNb), với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, chế tạo công nghệ gốm truyền thống Ảnh hưởng nồng độ Nb đến vi cấu trúc số tính chất quang, điện hệ gốm nghiên cứu chi tiết Kết thực nghiệm cho thấy gia tăng nồng độ Nb, mật độ gốm gia tăng đạt giá trị cao (5,92 g/cm3) nồng độ x = 0,02 mol, bên cạnh đó, kích thước hạt giảm, vi cấu trúc đồng đều, hạt xếp chặt Tương ứng vi cấu trúc dày đặc với hạt nhỏ mịn, độ truyền qua quang học mẫu gốm có nồng độ x = 0,02 mol đạt giá trị cao 41% ứng với bước sóng 790 nm 36% ứng với bước sóng 680nm có độ rộng vùng lượng cấm lớn (Eg = 2,78 eV) Nhiệt độ khử phân cực Td nhiệt độ Curie TC tăng tương ứng từ 65oC đến 145oC từ 187oC đến 234oC nồng độ Nb gia tăng Gốm thể đặc trưng sắt điện relaxor Từ khóa: Vi cấu trúc, tính chất quang, điện mơi, sắt điện, BNKT MỞ ĐẦU Trong năm qua, vật liệu sắt điện, áp điện sở Chì Zirconat Titanat Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) ứng dụng rộng rãi thiết bị truyền động, sóng âm bề mặt, chuyển đổi, cảm biến, lọc quang học, điều biến hiển thị tính chất điện quang tuyệt vời chúng [1_4] Tuy nhiên, với thành cơng gốm áp điện PZT ngày có nhiều chì (Pb), dạng oxit chì chì thải vào mơi trường Điều xảy q trình nung sơ thiêu kết, gia công thô thành phần sau sử dụng việc tái chế xử lý chất thải Do đó, vấn đề cấp thiết mang tính thời giới cần nghiên cứu, tìm kiếm hệ gốm áp điện khơng chứa chì để thay hệ gốm sở PZT phương diện nghiên cứu lẫn ứng dụng chúng 17 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT Rất nhiều cơng trình nghiên cứu gốm áp điện khơng chì thực năm gần hệ gốm áp điện BaTiO3 [5], Bi(K,Na)TiO3 (BNKT) [6_9], (K,Na)NbO3 (KNN) [10] Trong bật hệ gốm khơng chì Bimust Kali Natri Titanate Bi(K,Na)TiO3 (BNKT) nhiều nhà khoa học giới nước quan tâm nghiên cứu BNKT kết hợp hai thành phần: (Bi0,5K0,5)TiO3 (BKT) có cấu trúc tứ giác thành phần (Bi0,5Na0,5)TiO3 (BNT) có cấu trục mặt thoi Ưu điểm hệ gốm BNKT có nhiệt độ Curie cao (330oC), tính chất điện mơi (εmax ~ 3300), áp điện tốt biên pha hình thái học 0,16 ≤ x ≤ 0,20 [11] Nhưng hệ gốm có số nhược điểm thành phần Bi h n hợp BNKT d bay nung nhiệt độ thiêu kết cao làm giảm tính chất gốm; muối K, Na có tính hút ẩm mạnh nên q trình chế tạo gặp nhiều khó khăn làm ảnh hưởng đến tính hợp thức gốm Ngồi thành phần BNT sở hữu dịng điện rò lớn trường điện kháng Ec = 73 kV/cm, tính chất sắt điện hệ [Bi0,5(Na1x,Kx)0,5]TiO3 chưa tốt Nhằm mục đích cải tiến tính chất điện môi, sắt điện, áp điện hệ vật liệu này, hệ gốm BNKT thường biến tính cách pha thêm số tạp Li, La, Nb, Sb v.v vào vị trí A B cấu trúc perovskit ABO3 [7_ 9] Như đề cập trên, hệ gốm sắt điện BNKT tập trung nghiên cứu nhiều, đa phần nghiên cứu tính chất điện [7_ 9, 11], cịn tính chất quang vật liệu đề cập Các loại gốm sắt điện khơng chì suốt loại vật liệu chức thân thiện với mơi trường, có tiềm lớn lĩnh vực quang điện tử, phát hồng ngoại, laser lưu trữ quang học [12, 13] Do lĩnh vực hấp dẫn, nhiên nước chưa có cơng trình nghiên cứu chi tiết liên quan đến tính chất quang vật liệu gốm sắt điện BNKT Trong báo chúng tơi trình bày số kết qủa chế tạo, nghiên cứu vi cấu trúc số tính chất quang, điện hệ vật liệu gốm Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5(Ti1xNbx)O3 THỰC NGHIỆM Các mẫu gốm chế tạo có cơng thức hố học Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5(Ti1-xNbx)O3 (viết tắt BNKT_ xNb), với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, tổng hợp từ oxit muối cacbonat K2CO3, Na2CO3, Bi2O3, Nb2O5 TiO2 với độ tinh khiết 99% Các thành phần phối liệu ban đầu sấy 150°C Sau đó, chúng cân theo tỷ lệ mong muốn, khuấy từ môi trường ethanol 10 Tiếp theo, nghiền ép áp lực 300 kg/cm2 thành viên có đường kính d = 25 mm, tiến hành nung sơ nhiệt độ 850°C Công đoạn thực hai lần nhằm tạo hợp thức đồng Sau lại tiếp tục nghiền 18 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) máy nghiền bi 16 Sử dụng máy ép đơn trục, ép h n hợp bột thành dạng đĩa có đường kính 12 mm với áp lực 1,5 T/cm2 Các viên ép đem nung thiêu kết với nhiệt độ 1100oC Các mẫu gốm xử lý bề mặt, phủ điện cực tiến hành khảo sát tính chất Với mẫu dùng để đo tính chất quang mài bóng đến độ dày cỡ 0,5 mm, mẫu phủ điện cực sử dụng để đo tính chất điện Mật độ gốm mẫu đo theo phương pháp Archimedes, cấu trúc hệ gốm phân tích máy nhi u xạ tia X D8 ADVANCE vi cấu trúc hệ gốm chụp kính hiển vi điện tử quét HITACHI S_ 4800 Viện Vật lý Hà Nội Để đo phổ truyền qua hệ gốm, sử dụng phổ kế Genesys 10S UV_ Vis khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tính chất điện mơi đo từ hệ đo tự động hóa HIOKI 3532 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết khảo sát mật độ gốm (110) Trên hình 3.1 kết ác định mật độ gốm mẫu BNKT_ xNb với nồng độ x thay đổi từ đến 0,4 mol Pha perovskite 5.84 5.80 (220) (211) (200) (111) (100) 5.88 C- êng ®é (a.u) MËt ®é gèm D (g/cm ) 5.92 x = 0.04 x = 0.03 x = 0.02 5.76 x = 0.015 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 x = 0.01 Nång ®é Nb (mol) x = 0.0 20 30 40 50 60 70 80 Gãc 2 (®é) Hình 3.1 Sự phụ thuộc mật độ gốm Hình 3.2 Giản đồ nhi u tia X hệ gốm BNKT- BNKT vào nồng độ Nb xNb với nồng độ: x = 0,00, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04 Kết qủa hình 3.1 cho thấy tương ứng với nồng độ Nb tăng, mật độ gốm hệ BNKT_ xNb gia tăng mạnh đạt giá trị cực đại (5,92 g/cm3) nồng độ 0,02 mol Nb, sau giảm Kết giải thích dựa vào ảnh vi cấu trúc hệ gốm (hình 3.3) 19 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT 3.2 Cấu trúc hệ gốm Trên hình 3.2 giản đồ nhi u tia X với góc đo 2 nằm khoảng từ 20 đến 80 mẫu gốm BNKT pha tạp Nb với nồng độ khác nhau: x = 0,00, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04 Từ giản đồ cho thấy tất mẫu gốm BNKT_ xNb pha tạp Nb thiêu kết 1100oC có pha perovskite, khơng có pha lạ thứ hai Kết chứng tỏ Nb khuếch tán hoàn toàn vào mạng chủ BNKT để tạo thành dung dịch rắn BNKT_ Nb đồng Trong đó, tương quan bán kính ion, khả ion Nb5+ (rNb5+ = 0,69Å) vào mạng tinh thể BNKT thay phần ion Ti4+ (rTi4+ = 0,68Å) tạo vacanxy vị trí A để cân điện tích [20, 21] Tất mẫu có cấu trúc đơn tà (monoclinic) Ngồi ra, thay đổi nồng độ Nb, hình dạng vị trí đỉnh nhi u xạ khơng thay đổi chứng tỏ tạp Nb không làm thay đổi tính đối xứng cấu trúc hệ gốm o 3.3 Vi cấu trúc hệ gốm Hình 3.3 ảnh vi cấu trúc mẫu gốm BNKT_ xNb với nồng độ khác chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S_ 4800 Viện Vật lý Hà Nội Để đánh giá cỡ hạt, chúng tơi sử dụng phương pháp cắt tuyến tính (chương trình Lince) để tính kích thước hạt trung bình vật liệu gốm 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế x = 0.0 x = 0.01 x = 0.015 x = 0.02 x = 0.03 x = 0.04 Tập 15, Số (2020) Hình 3.3 Ảnh hiển vi điện tử quét hệ gốm BNKT xNb với x = 0,0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04 Từ kết qủa hình 3.3 cho thấy tạp chất Nb ảnh hưởng đến vi cấu trúc vật liệu gốm BNKT Với gốm BNKT không pha tạp chất (x = 0), vi cấu trúc gốm có nhiều l xốp, kích thước hạt trung bình cỡ 0,8 m khơng đồng Tuy nhiên pha Nb vào gốm BNKT với nồng độ x = 0.015 mol, hạt có phân bố đồng ranh giới hạt rõ hơn, kích thước trung bình hạt giảm nhẹ ( 0,7 m), vi cấu trúc gốm gồm hạt xếp chặt hơn, kích thước l xốp giảm Tiếp tục gia tăng nồng độ Nb đến 0,02 mol, vi cấu trúc gốm ngày đồng dày đặc hơn, hạt xếp chặt, l xốp, cỡ hạt trung bình gốm giảm xuống cỡ 0,62 m, phù hợp với mật độ gốm lớn (5,92 g/cm3) Gia tăng nồng độ Nb  0,03 mol, vi cấu trúc gồm hạt lớn nhỏ không đồng đều, xuất số l xốp, kích thước hạt trung bình gia tăng từ 0,8 m đến 0,85 m tương ứng Các kết qủa khảo sát vi cấu trúc gốm phù hợp với kết qủa đo mật độ gốm mẫu tương tự cơng trình nhóm tác giả Jamil Ur Rahman nghiên 21 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT cứu ảnh hưởng Nb đến số tính chất hệ gốm 0,97(Bi0,5Na0,5Ti1-xNbx)O30,03BaZrO3 [14] 3.4 Độ truyền qua quang học độ rộng vùng lượng cấm hệ gốm Hình 3.4 phổ truyền qua quang học (T%) hệ gốm BNKT_ xNb đo phạm vi bước sóng 400_ 900 nm Với x tăng từ 0,0 đến 0,10, độ truyền qua tăng đạt cực đại x = 0.02 mol, sau giảm Từ kết qủa này, phụ thuộc độ truyền qua quang học vào nồng độ x hệ gốm BNKT_ xNb tương ứng với ánh sáng có bước sóng 680 nm 790 nm biểu di n hình 3.5 Trong phạm vi bước sóng đo được, gốm BNKT_ xNb cho thấy phổ truyền qua trải rộng 420 nm, độ truyền qua cao đạt 41% ứng với bước sóng 790 nm 36% ứng với bước sóng 680 nm nồng độ x = 0,02 mol Mẫu gốm BNKT_ 0,02Nb có độ suốt lớn mẫu khác kích thước hạt mẫu gốm nhỏ (kích thước trung bình gần 600 nm) Tuy nhiên so với số cơng trình khác nghiên cứu gốm suốt sở KNN [12] [15] [16], độ truyền qua gốm BNKT_ 0,02Nb đạt vùng ánh sáng nhìn thấy hồng ngọai gần thấp Để đạt độ suốt quang học cao, vật liệu gốm cần phải có mật độ cao, độ xốp thấp, khơng có tạp chất, kích thước hạt nhỏ mịn cấu trúc tinh thể đối xứng cao cần thiết để loại bỏ tất tán xạ ánh sáng [17] Như nguyên nhân độ suốt thấp gốm BNKT_ xNb gốm cịn l xốp kích thước hạt lớn dẫn đến tán xạ ánh sáng gây tổn hao truyền dẫn, công đoạn mài mẫu chưa tốt, khả nhiều vết ước bề mặt mẫu làm ảnh hưởng lớn đến độ truyền qua ánh sáng 50 44 x = 0.0 x = 0.01 T (%) 40 x = 0.015 x = 0.02 x = 0.03 x = 0.04 40 T% 30 § é trun qua § o t¹ i b- í c sãng 680nm § o t¹ i b- í c sãng 790nm x=0.02 x=0.03 x=0.04 x=0.015 x=0.01 36 32 x=0.0 28 20 24 10 20 400 0.00 500 600 700 800 900 1000 0.01 0.02 0.03 0.04 Nång ®é x (mol) B- í c sãng (nm) Hình 3.4 Phổ truyền qua quang học hệ gốm Hình 3.5 Độ truyền qua hệ gốm BNKT–xNb BNKT_ xNb ứng với ánh sáng có bước sóng 680 790 nm 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) Độ rộng vùng lượng cấm (Eg) quan trọng nghiên cứu đặc trưng quang học, tính từ phổ hấp thụ quang học theo phương trình Wood Tauc [18] Đối với dịch chuyển trực tiếp, mối quan hệ Eg,  (tần số photon), h (4.1357x10-15eV, số Planck), A (hằng số) cho phương trình [17]: (αh)2 = A(h_ Eg) (3.1)  hệ số hấp thụ Độ rộng vùng lượng cấm Eg tính cách vẽ đồ thị (h)2 theo h ngoại suy phần tuyến tính đường cong 0, hình 3.6 2 2.5 3.0 3.5 2.0 3.5 1.5 -2 (  h  ) (x10 eV cm ) 3.0 3.5 Eg = 2.75eV 1.5 h (eV) Eg = 2.78eV 2.5 3.5 2 2 3.0 x = 0.04 2.5 -2 -2 (  h  ) (x10 eV cm ) 2.0 h (eV) x = 0.03 3.0 x = 0.02 (  h  ) (x10 eV cm ) 2.5 h (eV) 2.0 Eg = 2.72eV 1.5 h (eV) 1.5 Eg = 2.66eV 2.0 2 Eg = 2.62eV 1.5 7 2 x = 0.015 -2 -2 (  h  ) (x10 eV cm ) (  h  ) (x10 eV cm ) x = 0.0 x = 0.01 -2 (  h  ) (x10 eV cm ) 2.0 2.5 3.0 Eg = 2.74eV 3.5 h (eV) 1.5 2.0 2.5 3.0 h (eV) Hình 3.6 Đồ thị phụ thuộc (h)2 theo h giá trị độ rộng vùng lượng cấm Eg hệ gốm BNKT_ xNb ứng với nồng độ x khác Từ kết qủa ác định độ rộng vùng lượng cấm Eg hệ gốm BNKT_ xNb hình 3.6, phụ thuộc lượng vùng cấm Eg vào nồng độ x Nb biểu di n hình 3.7 23 3.5 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT 2.80 E g (eV) 2.76 2.72 2.68 2.64 2.60 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Nång ®é x (mol) Hình 3.7 Sự phụ thuộc độ rộng vùng lượng cấm Eg hệ gốm BNKT_ xNb vào nồng độ x Như thấy, nồng độ tăng từ đến 0,04 mol, độ rộng vùng lượng cấm Eg gia tăng từ 2,62 eV đến giá trị cực đại 2,78 eV x = 0,02 mol, sau giảm x tiếp tục tăng, chứng tỏ tạp Nb ảnh hưởng đến độ rộng vùng lượng cấm gốm Gía trị Eg thu tương đương với cơng trình Vidhi Chauhan [20] nghiên cứu hệ gốm BNKT pha tạp Nb Như biết, cường độ vùng lượng quang học Eg gắn liền với độ truyền qua quang học, thông thường với hệ vật liệu giống nhau, giá trị Eg lớn có độ suốt lớn [12] Kết qủa phù hợp với độ truyền qua lớn mẫu có nồng độ x = 0,02 mol 3.5 Tính chất điện mơi hệ gốm BNKT_ xNb Hình 3.8 kết khảo sát phụ thuộc số điện môi ε tổn hao điện môi tg theo nhiệt độ hệ gốm BNKT_ xNb, đo tần số kHz 0.6 4000 Tm 210 240 N1 N0 2000 N4 N5 0.3 1500 0.2 1000 500 180 220  NhiƯt ®é Curie T 2500 0.4 Tổn hao điện môi tg N2 m N3 150 200 120 180 90 0.1 160 0.0 140 Nhiệt độ khử phân cực T o 3000 0.5 ( C) 3500 Hằng số điện môi d Td 60 -500 50 100 150 200 250 0.00 300 0.01 0.02 0.03 0.04 o NhiƯt ®é ( C) Nång ®é Nb (mol) Hình 3.8 Sự phụ thuộc số điện mơi  Hình 3.9 Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie Tm và tổn hao điện môi tg vào nhiệt độ hệ nhiệt độ khử phân cực Td vào nồng độ Nb hệ gốm BNKT _ Nb đo tần số1kHz gốm BNKT 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) Như thấy hình 3.8, phổ điện mơi theo nhiệt độ tất mẫu có hai đỉnh rõ rệt, đỉnh thứ xuất nhiệt độ thấp ứng với chuyển pha sắt điện phản sắt điện (nhiệt độ khử phân cực), ký hiệu Td Đỉnh thứ hai xuất nhiệt độ cao hơn, ứng với chuyển pha sắt điện-thuận điện (nhiệt độ Curie TC) Trên hình 3.9 biểu di n phụ thuộc nhiệt độ Curie Tm nhiệt độ khử phân cực Td theo nồng độ Nb hệ gốm BNKT, thấy, hàm lượng Nb tăng, nhiệt độ khử phân cực Td nhiệt độ Curie Tm gia tăng tương ứng từ 65oC đến 145oC từ 187oC đến 234oC, sau giảm Kết qủa phù hợp với kết qủa nhóm tác giả Krishan Kumar [9], nhiên trị số Td Tm thu cịn thấp so với cơng trình Vidhi Chauhan [20], khả liên quan đến điều kiện chế tạo vật liệu gốm Kết qủa hình 3.8 cịn cho thấy đỉnh chuyển pha TC không sắc nét mà mở rộng theo kiểu chuyển pha nhòe đặc trưng cấu trúc perovskite bất trật tự ứng với vật liệu sắt điện relaxor, chứng tỏ dịch chuyển pha sắt điện - thuận điện gốm xảy khoảng nhiệt độ, trường hợp nhiệt độ ứng với số điện môi cực đại m thường gọi nhiệt độ Curie trung bình Tm Đối với sắt điện relaxor, nhiệt độ T > Tm, quan hệ  (T) không tuân theo định luật CurieWeiss thường thấy vật liệu sắt điện thường mà ác định theo biểu thức Uchino [19]: (3.2) Trong số mũ n đặc trưng cho độ nhoè đỉnh (T), giá trị n nằm khoảng 1 n  2, n = 1, (3.2) trở thành biểu thức định luật Curie-Weiss ứng với sắt điện bình thường n độ dốc đường thẳng biểu di n phụ thuộc ln(1/ -1/max) theo ln(T-Tm) ác định từ đồ thị hình 3.10 -11 -11 -12 -13 m -12 Ln(1/  Ln(1/  m m -11 -13 -14 -14 Y=A+B*X A = -16.58602 ± 0.03422 B = 1.56 ± 0.00927 -16 A = -16.69257 ± 0.14463 B = 1.47 ± 0.03844 -17 -16 -15 -13 -15 -15 A = -15.61011 ± 0.05395 B = 1.34 ± 0.01639 -12 Y=A+B*X Y=A+B*X -14 x = 0.015 § - êng thùc nghiƯm § - ờng làm khớ p -10 x = 0.01 Đ - ờng thực nghiệm Đ - ờng làm khớ p -10 x = 0.0 § - êng thùc nghiƯm § - êng lµm khí p -10 Ln(1/  -9 -9 -9 Ln(T-Tm Ln(T-Tm 25 Ln(T-Tm Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT -9 -8 x = 0.02 § - ờng thực nghiệm Đ - ờng làm khớ p -10 x = 0.03 § - êng thùc nghiƯm § - ờng làm khớ p -10 x = 0.04 Đ - ờng thực nghiệm Đ - ờng làm khớ p -12 m -12 Ln(1/  m Ln(1/  -11 -14 -13 Y = A + B*X Y = A + B*X -14 A = -16.10398 ± 0.0638 B = 1.77 ± 0.02343 -15 -12 -14 Y = A + B*X A = -16.05359 ± 0.05197 B = 1.80 ± 0.01965 -16 A = -16.312 ± 0.06389 B = 1.92 ± 0.02116 -16 Ln(T-Tm Ln(T-Tm Ln(T-Tm Hình 3.10 Sự phụ thuộc ln(1/ -1/max) theo ln(T-Tm) T  Tm mẫu gốm với x = 0,0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04 Hình 3.11 phụ thuộc độ nhòe n vào nồng độ Nb Khi nồng độ Nb tăng từ đến 0,04 mol, độ nhòe n gia tăng tương ứng từ 1,34 đến 1,92, đỉnh cực đại số điện môi mở rộng Nguyên nhân tượng dịch chuyển pha nhịe thăng giáng thành phần (ở gia tăng độ bất trật tự cách xếp ion Ti4+ Nb5+ vị trí B) làm tạo vi vùng có nhiệt độ TC khác phân bố thống kê xung quanh giá trị trung bình Tm [19] 2.0 1.8 § é nhße n Ln(1/  m -10 1.6 1.4 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Nång ®é x (mol) Hình 3.11 Sự phụ thuộc độ nhòe n vào nồng độ x hệ gốm BNKT_ xNb KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu đạt sau: - Đã chế tạo thành công hệ gốm Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5(Ti1-xNbx)O3, với x = 0, 0,01, 0,015, 0,02, 0,03, 0,04, phương pháp truyền thống, thiêu kết nhiệt độ 1100oC Kết nghiên cứu cho thấy mật độ gốm tăng nồng độ Nb tăng đạt giá trị cao (5,92 g/cm3) nồng độ x = 0,02 mol 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) - Kết phân tích cấu trúc cho thấy nồng độ Nb ảnh hưởng đến cấu trúc gốm Tất mẫu có cấu trúc perovskit, với đối xứng đơn tà Trong nồng độ Nb lại ảnh hưởng mạnh đến vi cấu trúc hệ gốm Khi nồng độ x tăng kích thước hạt giảm, vi cấu trúc đồng đều, hạt xếp chặt với biên hạt rõ ràng, đặc biệt nồng độ x = 0,02 mol - Đã ác định ảnh hưởng nồng độ x đến độ truyền qua quang học hệ gốm BNKT_ xNb Tại nồng độ x = 0,02 mol, gốm có độ truyền qua cao (trên 41% ứng với bước sóng 790 nm 36% ứng với bước sóng 680 nm) có độ rộng vùng lượng cấm cao (Eg = 2,78 eV) - Đã ác định ảnh hưởng nồng độ Nb đến tính chất điện mơi hệ gốm BNKT Nhiệt độ khử phân cực Td nhiệt độ TC hệ gốm dịch chuyển phía nhiệt độ cao Gốm thể đăc trưng sắt điện relaxor TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Jaffe, W R Cook, and H Jaffe (1971), Piezoelectric Ceramics, Academic, New York [2] G H Haertling and C E Land (1971), “Hot-Pressed (Pb,La)(Zr,Ti,)O3 Ferroelectric Ceramics for Electrooptic Applications,” J Am Ceram Soc., 54 [1] 1–11 [3] K K Li, Y Lu, and W Wang (2005), “Electro-Optic Ceramic Material and Device, PMNPT”; US Patent No 6890874 [4] K K Li and W Wang (2004), “Electro-Optic Ceramic Material and Device, PZN-PT”; US Patent No 6746618 [5] Tomoaki KARAKI, KangY AN, Toshiyuki MIYAMOTO, and Masatoshi ADACHI (2007), Lead-Free Piezoelectric Ceramics with Large Dielectric and Piezoelectric Constants Manufactured from BaTiO3 Nano-Powder, Japanese Journal of Applied Physics, Vol 46, No.4, pp L97–L98 [6] Dang Duc Dung, Nguyen Van Quyet, Luong Huu Bac (2015), Role of Sintering Temperature on Giant Field Induced Strain in Lead-Free Bi0.5(Na,K)0.5TiO3-Based Ceramics, Ferroelectrics 474, 113–119 [7] Phan Dinh Gio, Nguyen Vu Dieu Hong, and Le Dai Vuong (2015), Effect of Excess Bi2O3 Content on the Structure and Dielectric, Piezoelectric Properties of Bi 0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3 Lead Free Ceramics, Advanced Porous Materials Vol 3, 1–4 [8] Krishan Kumar and Binay Kumar (2010), Synthesis and Characterization of Sb-Doped Bi0.5(Na0.5K0.5)0.5TiO3 Ceramics, Integrated Ferroelectrics, 121, 99–105 [9] Krishan Kumar, Binay Kumar (2012), Effect of Nb-doping on dielectric, ferroelectric and conduction behaviour of lead free Bi0.5(Na0.5K0.5)0.5TiO3 Ceramics, Ceramics International 38, 1157_ 1165 27 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT [10] Phan Dinh Gio and Nguyen T Kieu Lien (2015), Effect of LiNbO3 on the structure, microstructure and dielectric, ferroelectric properties of (K0.5Na0.5)NbO3 lead free ceramics, Indian Journal of Scientific research and technology, Vol (5), 48_ 53 [11] Krishan Kumar, B.K Singh, M.K Gupta, N.Sinha, Binay Kumar (2011), Enhancement in dielectric and ferroelectric properties of lead free Bi 0.5(Na0.5K0.5)0.5TiO3 ceramics by Sb_doping, Ceramics International, Volume 37, Issue 8, 2997_ 3004 [12] Qizhen Chai, Xumei Zhao, Xiaolian Chao and Zupei Yang (2017), Enhanced transmittance and piezoelectricity of transparent K0.5Na0.5NbO3 ceramics with Ca(Zn 1/3Nb2/3)O3 additives, RSC Adv., 7, 28428 [13] Zhiming Geng, Kun Li, Dongliang Shi, Liangliang Zhang, Xiayu Shi (2015), Effect of Sr and Ba-doping in optical and electrical properties of KNN based transparent ceramics, J Mater Sci: Mater Electron 26, 6769–6775 [14] Jamil Ur Rahman, Ali Hussain, Adnan Maqbool, Rizwan Ahmed Malik, Tae Kwon Song and Myong Ho Kim, Soonil Lee, Won Jeong Kim (2015), Effect of Donor Doping on the Ferroelectric and the Piezoelectric Properties of Lead-free 0.97(Bi0.5Na0.5Ti1-xNbx)O30.03BaZrO3 Ceramics, Journal of the Korean Physical Society, Vol 67, No 7, pp 1240∼1245 [15] Xumei Zhao, Qizhen Chai, Bi Chen, Xiaolian Chao, Zupei Yang (2018), Improved transmittance and ferroelectric properties realized in KNN ceramics via SAN modification, Journal of the American Ceramic Society, vol 101, Issue 11, 5127_ 5137, doi:10.1111/jace.15725 [16] Xiaoshuai Zhang, Dong Yang, Zhenyu Yang, Xumei Zhao, Qizhen Chai, Xiaolian Chao, Lingling Wei, Zupei Yang (2016), Transparency of K0.5Na0.5NbO3_ Sr(Mg1/3Nb2/3)O3 lead-free ceramics modulated by relaxor behavior and grain size, Ceramics International, http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.07.069 [17] Qizhen Chai, Dong Yang, Xumei Zhao, Xiaolian Chao, Zupei Yang (2018), Lead-free (K,Na)NbO3_ based Ceramics with High Optical Transparency and Large Energy Storage Ability, Journal of the American Ceramic Society, Volume 101, Issue 6, pp 2321_ 2329 [18] J Tauc and D L Wood (1972), Weak Absorption Tails in Amorphous Semiconductors, PHYSICA L REVIEW B, VOL 5, N 8, pp 3144_ 3151 [19] Uchino K (1991), Relaxor ferroelectrics, J of the ceramic society of Japan, 99 (10), 829_ 835 [20] Vidhi Chauhan, S K Ghosh, Ali Hussain, S K Rout (2016), Influence of niobium substitution on structural and opto-electrical properties of BNKT based piezoelectric ceramics, Journal of Alloys and Compounds, 674, 413_424, DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.02.231 [21] Yuhuan Xu (1991), Ferroelectric Materials and Their Applications, North-Holland, ISBN: 444 88354 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 15, Số (2020) EFFECT OF Nb ADDITION ON THE OPTICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF BNKT CERAMICS Phan Dinh Gio*, Le Thi Anh Nhan Department of Physics, University of Sciences, Hue University *Email: pdg_55@yahoo.com ABTRACT Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5(Ti1-xNbx)O3 ceramic system (abbreviated BNKT_ xNb) with x = 0.0, 0.01, 0.015, 0.02, 0.03, 0.04, has been fabricated by the conventional solid-state reaction method The effects of Nb content on the microstructure and some optical and electrical properties were studied in detail The experimental results showed that with increasing Nb concentration, the ceramic density increased and reached the highest value (5.92 g/cm3) at x = 0.02mol, besides, the grain size of the ceramics decreased, the microstructure more uniform, the particles are packed with clear grain boundaries, less pores With the dense microstructure and fine small particles, the optical transmission of the ceramics is strong, the ceramic sample with x = 0.02 mol exhibits stably high transmittance above 41% for the wavelength of 790nm and 36% at the wavelength of 680nm and has the largest optical band gap energy (Eg = 2.78 eV).The depolarization temperature (Td) and Curie temperature (TC ) increase from 65oC to 145oC and 187oC to 234oC, respectively, when the concentration of Nb increases The broadness of dielectric peak around Tm indicated a diffusive phase transition for all compositions suggesting the relaxorlike behavior of BNKT_ xNb ceramic systems Keywords: Microstructure, optical property, dielectric, ferroelectric, BNKT 29 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT Phan Đình Giớ sinh ngày 2/4/1955 Thừa Thiên Huế Ông tốt nghiệp cử nhân ngành Vật lý năm 1977 thạc sĩ chuyên ngành Vật lý chất rắn trường Đại học Tổng hơp Huế năm 1995 Ông nhận học vị tiến sĩ năm 2007 trường Đại học Khoa học, Đại học Huế phong học hàm phó giáo sư năm 2012 Từ năm 1978 đến nay, ông công tác khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Lĩnh vực nghiên cứu: Vật liệu gốm điện Lê Thị Ánh Nhạn sinh ngày 03/03/1982 Quảng Ngãi Năm 2005, bà tốt nghiệp cử nhân ngành Vật lý Trường Đại học Quy Nhơn Năm 2019, bà tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Quang học trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Hiện nay, bà giảng dạy trường THPT Trần Quốc Tuấn, Quảng Ngãi Lĩnh vực nghiên cứu: Vật liệu gốm điện tử 30 ... nghiên 21 Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT cứu ảnh hưởng Nb đến số tính chất hệ gốm 0,97(Bi0,5Na0,5Ti1-xNbx)O30,03BaZrO3 [14] 3.4 Độ truyền qua quang học độ rộng vùng.. .Ảnh hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT Rất nhiều công trình nghiên cứu gốm áp điện khơng chì thực năm gần hệ gốm áp điện BaTiO3 [5], Bi(K,Na)TiO3 (BNKT) [6_9], (K,Na)NbO3... hưởng nồng độ Nb đến số tính chất quang, điện hệ gốm BNKT 3.2 Cấu trúc hệ gốm Trên hình 3.2 giản đồ nhi u tia X với góc đo 2 nằm khoảng từ 20 đến 80 mẫu gốm BNKT pha tạp Nb với nồng độ khác nhau: