Để đạt được độ trong suốt quang học cao, một vật liệu gốm cần phải có mật độ cao, độ xốp thấp, không có tạp chất, kích thước hạt nhỏ mịn và cấu trúc tinh thể đối xứng cao là cần thiết [r]
(1)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
TÓM 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)tại 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
1. 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 công
(2)Rất nhiều cơng trình nghiên cứu gốm áp điện khơng chì thực
trong 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
và 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 môi (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 Bitrong 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 dòng điện rò
lớn trường điện kháng Ec = 73 kV/cm, tính chất sắt điện hệ [Bi0,5(Na
1-x,Kx)0,5]TiO3 chưa tốt Nhằm mục đích cải tiến tính chất điện môi, sắt điện, áp điện
của 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(Ti
1-xNbx)O3
2. 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
giờ Tiếp theo, nghiền ép áp lực 300 kg/cm2 thành viên có đường kính d =
(3)bằng 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, cịn 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
tại khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tính chất điện mơi đo từ hệ đo tự động hóa HIOKI 3532
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết khảo sát mật độ gốm
Trên hình 3.1 kết ác định mật độ gốm mẫu BNKT_xNb với nồng
độ x thay đổi từ đến 0,4 mol
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 5.76
5.80 5.84 5.88 5.92
M
Ët
độ
g
èm
D
(g
/c
m
3 )
Nồng độ Nb (mol)
20 30 40 50 60 70 80
Pha perovskite
x = 0.04
x = 0.03
x = 0.02
x = 0.015
x = 0.01
Góc 2 (độ)
x = 0.0
(2
20
)
(2
11
)
(2
00
)
(1
11
)
(1
10
)
(1
00
)
C
-ê
ng
®
é
(a
.u
)
Hình 3.1. Sự phụ thuộc mật độ gốm
BNKT vào nồng độ Nb
Hình 3.2. Giản đồ nhi u tia X hệ gốm
BNKT-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,
(4)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 80o 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
được 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
3.3. Vi cấu trúc hệ gốm
Hình 3.3 ảnh vi cấu trúc mẫu gốm BNKT_xNb với nồng độ khác
nhau chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S_ 4800 Viện Vật lý
(5)Hình 3.3. Ảnh hiển vi điện tử quét hệ gốm BNKTxNb 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
của 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
khi pha Nb vào gốm BNKT với nồng độ x = 0.015 mol, hạt có phân bố đồng
hơn 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
x = 0.0 x = 0.01
x = 0.015 x = 0.02
(6)cứu ảnh hưởng Nb đến số tính chất hệ gốm 0,97(Bi0,5Na0,5Ti1-xNbx)O3
-0,03BaZrO3 [14]
3.4. Độ truyền qua quang học độ rộng vùng lượng cấmcủa hệ gốm
Hình 3.4 phổ truyền qua quang học (T%) hệ gốm BNKT_ xNb đo
trong 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
trong vùng ánh sáng nhìn thấy hồng ngọai gần cịn 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
sự tán xạ ánh sáng gây tổn hao truyền dẫn, cơng đoạn mài mẫu chưa tốt, khả cịn nhiều vết ước bề mặt mẫu làm ảnh hưởng lớn đến độ truyền qua ánh sáng
400 500 600 700 800 900 1000
0 10 20 30 40 50
x = 0.0
B- í c sãng (nm)
§
é
tr
uy
Òn
q
ua
T
(
%
)
x = 0.01 x = 0.015 x = 0.02 x = 0.03
x=0.04 x=0.03 x=0.02
x=0.015 x=0.01
x = 0.04
x=0.0
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04
20 24 28 32 36 40
44 Đ o tạ i b- c sóng 680nm
Đ o tạ i b- c sãng 790nm
T%
Nồng độ x (mol)
Hình 3.4.Phổ truyền qua quang học hệ gốm
BNKT_ xNb
Hình 3.5.Độ truyền qua hệ gốm BNKT–xNb
(7)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)
trong 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
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.0
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
E g = 2.62eV
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.01
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
E g = 2.66eV
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.015
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
E g = 2.72eV
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.02
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
Eg = 2.78eV
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.03
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
E g = 2.75eV
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x = 0.04
( h ) 2(x10 7eV 2cm -2)
h (eV)
E g = 2.74eV
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