Tạp Ta, với các nồng độ khác nhau, khi đi vào mạng nền đã làm thay đổi cấu trúc vật liệu và ổn định sự phát triển cỡ hạt của gốm.. Kết quả là một số tính chất vật lý của gốm trên cơ s[r]
(1)ẢNH HƢỞNG CỦA TẠP Ta ĐẾN TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM TRÊN CƠ SỞ KNN
Hoàng Ngọc An1, Nguyễn Thị Kiều Oanh1, Ngô Văn Tuấn1,2, Đỗ Thanh Tùng1,2;
Bùi Thị Hồng Thu1,3, Trần Trung Nhân1, 4, Lê Thị Liên Phƣơng1,Dụng Thị Hoài Trang1,
Lê Trần Uyên Tú1*, Võ Thanh Tùng1* 1 Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
2 Trường THPT Nguyễn Chí Thanh, Gia Lai 3 Trường THPT Phan Bội Châu, Gia Lai 4 Trường THPT Lê Thành Phương, Phú Yên *Email: tuletranuyen@hueuni.edu.vn, vttung@hueuni.edu.vn Ngày nhận bài: 21/2/2020; ngày hoàn thành phản biện: 19/3/2020; ngày duyệt đăng: 14/7/2020
TÓM TẮT
Các hệ vật liệu Na0,59K0,41NbO3 (Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với x = 0,05; 0,1 0,15 chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống Tạp Ta, với nồng độ khác nhau, vào mạng làm thay đổi cấu trúc vật liệu ổn định phát triển cỡ hạt gốm Kết số tính chất vật lý gốm sở KNN cải thiện Hệ gốm (Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với x=0,1 cho thấy tính chất áp điện tốt với mật độ gốm đạt 4.42 g/cm3, hệ số liên kết điện kp= 0,39 hệ số d33 = 94 pC/N
Từ khóa: gốm khơng chì, áp điện, KNN, Ta
1 MỞ ĐẦU
Hệ gốm Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 (PZT) với đặc trưng sắt điện, áp điện ưu việt
và ứng dụng nhiều thiết bị thu phát đầu dò sensor, biến tử siêu âm< *1,2] Tuy nhiên, PbO thành phần hợp thức gốm PZT bay phần q trình chế tạo có độc tính, gây nhiễm mơi trường Do đó, việc phát triển hệ gốm khơng chì với tính chất sắt điện, áp điện tốt thay cho hệ gốm có chì dành nhiều quan tâm từ nhà khoa học vật liệu [3,4]
Một vật liệu gốm sắt điện khơng chì điển hình KNN, hợp chất vật liệu sắt điện Niobate Kali (KNbO3) phản sắt điện Niobate Natri
(NaNbO3), có biên pha hình thái học ứng với thành phần có tỷ số Na/K ~ 50/50 Do
(2)Các công bố gần cho thấy hệ gốm áp điện sở (K,Na)NbO3 (KNN) đem
lại số đặc tính áp điện tương đối tốt lân cận biên pha hình thái học, có nhiều triển vọng ứng dụng [5, 6+ Đồng thời với số biến tính hóa học, hệ gốm có kết tốt tính chất điện môi, áp điện sắt điện [7+ Tuy nhiên, đặc
trưng điện môi áp điện KNN tương đối thấp (d33 ~ 90 pC/N) so với vật
liệu PZT Thế nên mong muốn thay vật liệu PZT hệ gốm khơng chì KNN ứng dụng cơng nghiệp gặp khó khăn Do đó, nghiên cứu đánh giá vai trị tạp chất đến cấu trúc, vi cấu trúc đặc trưng điện vật liệu KNN nhằm tìm kiếm khả nâng cao đặc trưng điện gốm sở KNN thật cần thiết
Hầu hết cơng trình nghiên cứu cho Li +, Sb5+ và Ta5+ là yếu
tố pha tạp hàng đầu [6-10], có khả dịch chuyển nhanh biên pha trực thoi-tứ giác (O – T) lân cận nhiệt độ phòng, dẫn đến giá trị kp d33 tăng lên moment
lưỡng cực quay dễ dàng cấu trúc pha ổn định [8] Ở bước khởi đầu sở tham khảo công bố trước đây, tác động tạp Ta đến cấu trúc, vi cấu trúc đặc trưng áp điện hệ gốm sở KNN cố định nồng độ tạp Li Sb quan tâm khảo sát Do đó, báo tập trung nghiên cứu “Ảnh hƣởng tạp Ta đến tính chất áp điện hệ gốm sở KNN”
2 THỰC NGHIỆM
Gốm lựa chọn nghiên cứu có cơng thức hóa học sau: (Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 (với x = 0,05; 0,1 0,15) Bên cạnh đó, chúng tơi tiến
hành chế tạo hệ gốm với công thức Na0,59K0,41NbO3 nhằm so sánh thay đổi
cấu trúc đặc trưng điện KNN không có pha tạp Các phối liệu ban đầu oxit Nb2O5, Sb2O3, Ta2O5 muối NaCO3, K2CO3 ,Li2CO3, (với độ tinh
khiết ≥ 99%)
Vật liệu sau nung sơ tiếp tục nghiền Sau đó, chúng cân theo tỷ lệ mong muốn nghiền sơ máy nghiền hoạt động theo chế cọ xát với tốc độ 100 vòng/ phút trong dung mơi ethanol Hỗn hợp bột sau sấy khơ, ép định hình khn hình trụ với áp lực 500 kg/ cm2
và tiến hành nung sơ nhiệt độ 850 oC
Vật liệu sau nung sơ tiếp tục nghiền Máy nghiền sử dụng máy ép đơn trục, ép bột thành dạng đĩa có đường kính 12 mm áp lực 1,0 T/cm2
Sau mẫu nung thiêu kết nhiệt độ 1100 oC với tốc độ gia nhiệt
oC/ phút Các mẫu xử lý bề mặt để đảm bảo độ nhẵn bóng tính song phẳng
(3)Nhóm chúng tơi tiến hành đo mật độ gốm phương pháp Archimedes Pha cấu trúc xác định máy nhiễu xạ tia X (XRD) (D8 ADVANCE), vi cấu trúc hệ gốm kiểm tra kính hiển vi điện tử quét (SEM; HITACHI S-4800) Tính chất áp điện hệ gốm khảo sát thông qua phổ cộng hưởng ghi nhận từ hệ đo tự động hóa HP 4193A RLC Hioki 3532
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết khảo sát phổ nhiễu xạ tia X (XRD) hệ gốm
(Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với x = 0; 0,05; 0,1 0,15 Na0,59K0,41NbO3 (KNN
thuần) biểu diễn hình 1a Hình 1b phổ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu ứng với góc 2 từ 20 o đến 60 o
Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ gốm Na0,59K0,41NbO3 (KNN thuần)
(Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với (a) 2θ = 10 o ÷ 80 o, (b) 2θ = 20 o ÷ 60 o
Giản đồ nhiễu xạ tia X biểu diễn hình cho thấy hệ gốm KNN
được chế tạo có cấu trúc trực thoi đặc trưng đỉnh nhiễu xạ kép ứng với góc 2θ lân cận 22 o, 32 o 46 o [7], không tồn pha thứ hai Trong đó, phổ nhiễu xạ
hệ KNN pha tạp cho thấy thay đổi rõ nét hình dạng đỉnh nhiễu xạ góc 2θ = 46 o, 53 o, 58 o Sự phân tách đỉnh nhiễu xạ kép trở nên rõ ràng Bên
cạnh mối tương quan cường độ đỉnh nhiễu xạ hai đỉnh đỉnh kép thay đổi Qua đó, nhận định tạp vào cấu trúc mạng KNN làm thay đổi cấu trúc vi cấu trúc vật liệu
(4)Kết khảo sát mật độ gốm hệ gốm sở KNN pha tạp biểu diễn hình Đồ thị hình cho thấy đưa tạp Ta vào hệ gốm sở KNN mật độ gốm hệ cải thiện đáng kể Ban đầu mật độ gốm hệ sở KNN tăng nồng độ tạp Ta tăng đạt giá trị cao (4,42 g/ cm3) nồng độ x=0,1 Sau
đó, mật độ gốm giảm dần nồng độ Ta tiếp tục tăng
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM, hình 3) cho thấy hạt gốm KNN sau thiêu kết hầu hết có dạng tứ giác với biên hạt rõ ràng Tuy nhiên, kích thước hạt gốm không đồng đều, hạt tồn lỗ xốp Với tham gia đồng thời tạp Li, Sb Ta kích thước hạt gốm trở nên đồng hơn, biên hạt rõ ràng số lượng lỗ xốp giảm
Hình 3.Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hệ gốm (a) Na0,59K0,41NbO3
(Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với (b) x = 0,05; (c) x = 0,1 (d) x = 0,15
Kết lý giải có mặt tạp Li đóng vai trị chất chảy làm giảm thiểu tồn lỗ xốp Đồng thời tạp Sb Ta tác động đến tính đồng q trình phát triển kích thước hạt gốm [7] Kết
quả đánh giá vi cấu trúc phù hợp với kết thu từ phổ nhiễu xạ tia X
mật độ gốm
(5)độ phòng Từ phổ dao động, thông số áp điện mẫu xác định thơng qua chuẩn IREE
Hình 4.Phổ dao động cộng hưởng theo phương radian hệ gốm (a) Na0,59K0,41NbO3
(Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3 với (b) x = 0,05; (c) x = 0,1 (d) x = 0,15
Các giá trị hệ số liên kết điện kp hệ số áp điện d33 hệ gốm KNN
thuần KNN pha tạp nồng độ tạp Ta thay đổi biểu diễn bảng
Bảng Hệ số kp d33 hệ gốm KNN
Thông số áp
điện KNN
(Na0,55K0,41Li0,04)(Nb1-0,06-xS0,06Tax)O3
x = 0,05 x = 0,1 x = 0,15
kp 0,22 0,26 0,39 0,31
(6)Hình Sự phụ thuộc hệ số kp d33 gốm KNN vào pha tạp Ta
Kết thu từ bảng đồ thị hình cho thấy quy luật biến thiên hệ số kp d33 gốm KNN tác động đồng pha tạp Li, Sb Ta Thực
nghiệm cho thấy thông số áp điện gốm KNN kp d33 cải thiện rõ
pha tạp Sự biến đổi tính chất áp điện gốm sở KNN lý giải thay đổi cấu trúc vi cấu trúc tác động tạp trình bày Bên cạnh đó, phổ cộng hưởng dao động theo phương bán kính gốm hình cho thấy các đồng pha tạp làm giảm giá trị Zminvốn cao cỡ 2000
của hệ KNN thuần, dẫn đến cải thiện trị số hệ số liên kết điện kp
Kết thực nghiệm ban đầu giá trị kp và d33 có xu hướng
tăng tăng nồng độ tạp Ta Giá trị cực đại thông số áp điện kp =
0,39 d33 = 94 pC/ N ứng với nồng độ Ta pha tạp 0.1; sau giảm tiếp tục tăng
nồng độ Ta Quy luật thay đổi thông số áp điện theo nồng độ tạp Ta dự đoán liên quan đến thay đổi cấu trúc pha Ta vào cấu trúc mạng
4 KẾT LUẬN
(7)độ tạp Ta thay đổi Những nghiên cứu nhằm xác định nồng độ tạp Ta tối ưu cho hệ gốm sở KNN cần thực
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Xu, Y (1991) Ferroelectric Materials and Their Applications North-Holland, Amsterdam-London-NewYork-Tokyo
[2] Hamidreza Hoshyarmanesh, Nafiseh Ebrahimi, Amir Jafari, Parisa Hoshyarmanesh, Minjae Kim and Hyung-Ho Park, (2019) PZT/PZT and PZT/BiT Composite Piezo-Sensors in Aerospace SHM Applications: Photochemical Metal Organic + Infiltration Deposition and Characterization Sensors, 19, 13
[3] Zhang, Z., Wu, P., Chen, L., & Wang, J (2010) Systematic Variations in Structural and Electronic Properties of BiFeO3 by A-site Substitution. Applied Physics Letters, 96, 012905-3 [4] Tabuchi, K., Nagata, H., & Takenaka, T (2013) Fabrication and Electrical Properties of
Potassium Excess and Poor (Bi1/2K1/2)TiO3 Ceramics. Journal of The Ceramic Society of Japan, 121, 623-626
[5] P D Gio, N D Phong (2015) Effects of LiF on the Structure and Electrical Properties of (Na0.52K0.435Li0.045)Nb0.87Sb0.08Ta0.05O3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics Sintered at Low Temperatures Journal of Materials Science and Chemical Engineering, 3, 13-20
[6] Mallika Bhattacharyya (2011) Some studies of lead free KNN – LN ceramics Master's thesis of science in physics, department of physics national institute of technology rourkela, 769008 [7] Wu J., Tao H., et al (2015) X RSC Adv., 5, 14575
[8] Zhao, Y., Huang, R., Liu, R., et al (2013) Ceram Int., 39, 425
[9] Skidmore, T., et al (2008) Phase Development During Mixed- Oxide Processing of a [Na 0.5 K 0.5 NbO3 ]1-x – [LiTaO3 ]x Powder Key Engineering Materials, High-Performance Ceramics V,1886-9, 368-372