Ảnh hưởng của nồng độ ion thay thế và sự biến đổi cấu trúc đến tính chất từ của vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 (x= 0.02 - 0.1) được chỉ ra trong hình 3.9. Kết quả cho thấy, các mẫu x = 0.02 – 0.08 đều có đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ. Tuy nhiên giá trị từ độ còn dư (Mr) và lực kháng từ (Hc) nhỏ, thể hiện là vòng trễ rất hẹp. Đặc trưng sắt từ của vật liệu mạnh nhất khi x = 0.1 với giá trị từ độ còn dư (Mr) và lực kháng từ (Hc) lớn nhất. Từ hình 3.8, các giá trị Mr và Hc tương ứng là khoảng 0.01 emu/g và 0.33 kOe cho các mẫu có x = 0.02 – 0.08 và 0.06 emu/g và 1.22 kOe cho x = 0.1. Các giá trị từ độ, từ độ còn dư Mr và lực kháng từ Hc thu được trên mẫu x = 0.1 là khá lớn so với các đặc trưng sắt từ thu được ở nhiều công bố khác.
Theo [20], đặc trưng sắt từ trong vật liệu BiFeO3 pha tạp tăng khi cấu trúc spin cycloidal ban đầu bị triệt tiêu (hoặc phá hủy) thông qua sự biến dạng cấu trúc (cấu trúc R3c bị biến dạng) hoặc biến đổi pha cấu trúc. G. Arya và cộng sự [21] cho rằng, khi vật liệu BiFeO3 được pha tạp bằng các kim loại chuyển tiếp, tính chất từ của vật liệu có thể tăng do sự tương tác trao đổi giữa các ion tạp chất với nhau hoặc giữa các ion tạp chất và ion Fe. Tuy nhiên, các đường cong từ trễ trong hình 3.9 chưa đủ cơ sở để khẳng định về đóng góp của các trật tự sắt từ và cơ chế trao đổi kép. Do đó, chúng tôi cho rằng sự biến đổi cấu trúc đóng một vai trò quan trọng trong việc thay đổi tính chất từ của các hợp chất Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3. Nhận định này phù hợp với các kết quả thu được của [22]. Khi x = 0.02 – 0.08, cấu trúc kiểu PbZrO3 chiếm tỷ lệ nhỏ so với cấu trúc spin cycloidal của pha R3c (như được thấy trong bảng 3.1), nên các đặc trưng từ tính trong các mẫu này chủ yếu được đóng góp bởi pha R3c. Các đặc trưng sắt từ trong mẫu x = 0.1 tăng có thể có nguyên nhân là do tỷ lệ
pha PbZrO3/R3c trong mẫu tăng. Điều thú vị là, sự thay thế Cr cho Fe không triệt tiêu cấu trúc spin cycloidal trong đối xứng R3c. Thể hiện là các đường cong từ trễ của các mẫu x = 0,02 - 0,08 không hề thay đổi khi x tăng. Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy trong các mẫu BiFeO3 pha tạp Mn [23]. Do đó cần nghiên cứu thêm để tìm hiểu ảnh hưởng của Cr3+ đến cấu trúc spin cycloidal. -10 -5 0 5 10 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 M (emu/g) H (kOe) x = 0.02 x = 0.04 x = 0.06 x = 0.08 x = 0.1
Hình 3.9. Kết quả đo đường cong từ trễ của hệ mẫu
KẾT LUẬN
1. Chúng tôi đã chế tạo được vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 (x= 0.02 - 0.1) bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Kết quả phân tích XRD và phổ tán xạ Raman cho thấy mẫu chế tạo hoàn toàn sạch pha, kết tinh tốt.
2. Khi nồng độ Cr thay thế cho Fe tăng, có sự đồng tồn tại, cạnh tranh giữa 3 loại cấu trúc (mặt thoi, trực giao và tứ giác) trong vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 (x= 0.04 - 0.1), tuy nhiên cấu trúc mặt thoi vẫn chiếm tỷ lệ lớn trong mẫu. Đây được coi là vùng biên pha cấu trúc của vật liệu.
3. Khi nồng độ pha tạp x tăng, độ rộng vùng cấm của vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 (x= 0.02 - 0.1) giảm vì bờ hấp thụ của mẫu dịch về phía bước sóng dài. Tạp chất Cr cũng ức chế sự tăng trưởng kích thước của hạt làm cho kích thước hạt của vật liệu giảm khi x tăng.
4. Vật liệu Bi0.9Sm0.1Fe1-xCrxO3 (x= 0.02 - 0.1) thể hiện tính chất sắt từ
mạnh ở nhiệt độ phòng. Sự biến đổi cấu trúc, độ lệch của góc liên kết Fe3+ - O - Fe3+ ảnh hưởng mạnh lên tính chất từ của vật liệu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
1. Nguyễn Văn Đăng, “Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện - từ của perovskite ABO3 (BaTi1-xFexO3 & BaTi1-xMnxO3)”, Luận án tiến sĩ khoa
học vật liệu (2012). II. TÀI LIỆU TIẾNG ANH
2. P.T. Tho, N.X. Nghia, L.H. Khiem, N.V. Hao, L.T. Ha, V.X. Hoa, C.T.A. Xuan, B.W. Lee, N.V. Dang “Crystal structure, magnetic properties, and magnetization variation in Bi0.84La0.16Fe1-xTixO3
polycrystalline ceramic”, Ceramics International 45, 3223–3229 (2019). 3. P.T. Tho, D.H. Kim, T.L. Phan, N.V. Dang, B.W. Lee., “Intrinsic
exchange bias and vertical hysteresis shift in Bi0.84La0.16Fe0.96Ti0.04O3”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 462, 172–177 (2018) 4. Cheong S.-W., Mostovoy M. “Multiferroics: a magnetic twist for
ferroelectricity”, Nat. Mater. 6, 13-20 (2007).
5. Wang J. et al. “Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures science”, Science 299, 1719-1722 (2003).
6. K.F. Wang, J.M. Liu and Z.F. Ren, "Multiferroicity: the coupling between magnetic and polarization orders", Advances in Physics 58, pp.
321-448 (2009), .
7. P. Ravindran, R. Vidya, A. Kjekshus, and H. Fjellvag, “Origin of magnetoelectric behavior in BiFeO3”,Department of Chemistry, University of Oslo, Box 1033, Blindern N-0315, Oslo, Norway, 2007 8. M. Cazayous, Y. Gallais, A. Sacuto, R. de Sousa , D. Lebeugle and D.
Colson , "Possible Observation of Cycloidal Electromagnons in BiFeO3", Phys. Rev. Lett. 101, pp. 037601-4 (2008).
9. Jiagang Wu, Zhen Fan, Dingquan Xiao, Jianguo Zhu, John Wang, “Multiferroic bismuth ferrite-based materials for multifunctional applications: Ceramic bulks, thin films and nanostructures”, Progress in Materials Science 84, 335–402 (2016).
10. B. Guo, H. Deng, X. Zhai, W. Zhou, X. Meng, G. Weng, S. Chen, P. Yang, and J. Chu, “Cr doping-induced structural phase transition, optical tuning and magnetic enhancement in BiFeO3 thin films”, Mater. Lett.
186, 198 (2017) .
11. F. Lin, Q. Yu, L. Deng, Z. Zhang, X. He, A. Liu, and W. Shi, “Effect of La/Cr codoping on structural transformation, leakage, dielectric and magnetic properties of BiFeO3 ceramics”, J. Mater. Sci. 52, 7118 (2017). 12. U. Idzerda, W. S. Chang, C. W. Yu, J.-M. Lee, P.-Y. Chen, C.-S. Chen,
C.-S. Tu, and Y. Ting, J. Am. Ceram. Soc. 101, 883 (2017).
13. J. Hlinka, J. Pokorny, S. Karimi, and I. M. Reaney, “Angular dispersion of oblique phonon modes in BiFeO3 from micro-Raman scattering”, Phys. Rev. B 83, 020101 (2011).
14. J. Bielecki, P. Svedlindh, D. T. Tibebu, S. Cai, S.-G. Eriksson, L. Börjesson, and C. S. Knee, “Structural and magnetic properties of isovalently substituted multiferroic BiFeO3: Insights from Raman spectroscopy”, Phys. Rev. B. 86, 184422 (2012).
15. V. Koval, I. Skorvanek, J. Durisin, G. Viola, A. Kovalcikova, P. Svec, K. Saksl, and H. Yan, “Terbium-induced phase transitions and weak ferromagnetism in multiferroic bismuth ferrite ceramics”, J. Mater. Chem. C 5, 2669 (2017).
16. P. Sharma, S. Satapathy, D. Varshney, and P. K. Gupta, “Effect of sintering temperature on structure and multiferroic properties of Bi0.825Sm0.175FeO3 ceramics”, Mater. Chem. Phys. 162, 469 (2015).
17. A. Singh, A. Senyshyn, H. Fuess, S. J. Kennedy, and D. Pandey, “Magnetic transitions and site-disordered induced weak ferromagnetism in (1-x)BiFeO3-xBaTiO3”, Phys. Rev. B 89, 024108 (2014).
18. Zheng T, Wu JG, “Enhanced piezoelectric activity in high-temperature Bi1-xySmxLayFeO3 lead-free ceramics”, J Mater Chem C, 3(15):3684–93 (2015).
19. Yuan GL, Or SW, Liu JM, Liu ZG, “Structural transformation and ferroelectromagnetic behavior in single-phase Bi1-xNdxFeO3 multiferroic ceramics”, Appl Phys Lett 89, 052905 (2006).
20. E. Gil-González, A. Perejón, P. E. Sánchez-Jiménez, M. A. Hayward, J. M. Criado, M. J. Sayagués, and L. A. Pérez-Maqueda, “Characterization of mechanosynthesized Bi1−xSmxFeO3 samples unencumbered by secondary phases or compositional inhomogeneity”, J. Alloys Compd.
711, 541 (2017).
21. G. Arya, J. Yogiraj, N. S. Negi, J. Shah, and R. K. Kotnala, “Observation of enhanced multiferroic, magnetoelectric and photocatalytic properties in Sm-Co codoped BiFeO3 nanoparticles”, J. Alloys Compd. 723, 983
(2017).
22. X. X. Shi, X. Q. Liu, and X. M. Chen, “Readdressing of magnetoelectric effect in bulk BiFeO3”, Adv. Funct. Mater. 27, 1604037 (2017)
23. V. A. Khomchenko, I. O. Troyanchuk, M. I. Kovetskaya, and J. A. Paixão, “Magnetostructural correlations in BiFeO3-based multiferroics”, J. Appl. Phys. 111, 014110 (2012).
24. Chaudhari YA, Singh A, Mahajan CM, Jagtap PP, Abuassaj EM, Chatterjee R, et al. “Multiferroic properties in Zn and Ni co-doped BiFeO3 ceramics by solution combustion method (SCM)”. J Magn Magn Mater 347, 153–60 (2013).
25. K.S. Nalwa, A. Garg, A. Upadhyaya , "Effect of samarium doping on the properties of solid-state synthesized multiferroic bismuth ferrite", Materials Letters 62, pp. 878-881(2008).
26. V. A. Khomchenko, D. A. Kiselev, M. Kopcewicz, M. Maglione, V. V. Shvartsman, P. Borisov, W. Kleemann, A. M. L. Lopes, Y. G. Pogorelov, J. P. Araujo, R. M. Rubinger, N. A. Sobolev, J. M. Vieira, A. L. Kholkin, "Doping strategies for increased performance in BiFeO3", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 321, pp. 1692-1698
(2009).
27. Wang, D. H., Goh, W. C., Ning. M and Ong C. K. , "Effect of Ba doping on magnetic, ferroelectric, and magnetoelectric properties in mutiferroic BiFeO3 at room temperature", Appl. Phys. Lett. 88, pp.
212907-212910 (2006).
28. Naik V.B., Mahendiran R., "Magnetic and magnetoelectric studies in pure and cation doped BiFeO3", Solid State Commun. 149, pp. 754-758