6. Nội dung nghiên cứu:
3.4. Phổ hấp thụ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3
Hình 3.4. a) Phổ hấp tụ UV-Vis của mẫu BiFeO3; b) Giá trị (αE)2 biểu diễn theo năng lượng E của photon ánh sáng kích thích mẫu
Để đánh giá tính chất hấp thụ quang học của các mẫu, chúng tôi đã thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV-Vis trên hệ đo Cary 5000 UV-Vis-NIR Spectrophotometer của Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam. Trên hình 3.4 – a mô tả phổ hấp thụ của mẫu bột nano BiFeO3. Phân tích phổ hấp thụ của các mẫu cho thấy, dải hấp thụ mạnh của mẫu BFO không pha tạp kéo dài từ miền có bước sóng khoảng 210 nm đến 515 nm. Tâm bờ hấp thụ nằm ở vị trí ứng với bước sóng 548 nm. Để xác định độ rộng của vùng cấm của vật liệu, chúng tôi sử dụng phương pháp Tauc [2], [17]. Kết quả được trình bày trên hình 3.4 – b xác định được độ rộng vùng cấm của mẫu bằng 2,11 eV. Kết quả này khá phù hợp với một số công bố gần đây [12], [2].
Hình 3.5. a) Giản đồ hấp thụ UV-Vis của mẫu BiFe0,95Mn0,05O3; b) Giá trị (αE)2 biểu diễn theo năng lượng E của photon ánh sáng kích thích mẫu
Hình 3.5 trình bày kết quả khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu BiFe0,95Mn0,05O3. Từ hình 3.5 – a chúng tôi xác định được rằng mẫu hấp thụ mạnh trong dải bước sóng khoảng từ 216 nm đến 520 nm, tâm bờ hấp thụ của mẫu tại vị trí bước sóng 561 nm. Như vậy, khi pha tạp Mn vào đã làm cho bờ hấp thụ của mẫu dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn. Bằng cách làm tương tự với mẫu BFO không pha tạp, chúng tôi xác định được độ rộng vùng cấm của mẫu có tỷ lệ tạp Mn 5% là 1,97 eV. Nghĩa là tạp Mn đã có tác dụng làm giảm độ rộng vùng cấm của mẫu. So với kết quả của nghiên cứu [12] trên hệ mẫu có cùng tỷ lệ tạp Mn thì giá trị độ biến thiên Eg trong mẫu của chúng tôi nhỏ hơn khá nhiều.
Kết quả khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu pha tạp Mn với tỷ lệ 7,5% được trình bày trên hình 3.6. Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis chúng tôi xác định được vùng hấp thụ mạnh của mẫu trong khoảng bước sóng từ 221 nm đến khoảng 519 nm, trung tâm của bờ hấp thụ tương tứng với bước sóng 556 nm và độ rộng vùng cấm của mẫu xấp xỉ 1,94 eV. Như vậy, độ rộng vùng cấm của mẫu BiFe0,925Mn0,075O3 cũng nhỏ hơn so với mẫu BFO không pha tạp và chênh lệch không đáng kể so với mẫu chứa 5% tạp Mn.
Hình 3.6. a) Phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu BiFe0,925Mn0,075O3; b) Giá trị (αE)2 biểu diễn theo năng lượng E của photon ánh sáng kích thích mẫu
Như vậy, thông qua nghiên cứu phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu đã chế tạo được cho thấy tạp Mn đã làm mở rộng và dịch chuyển bờ hấp thụ của mẫu về phía bước sóng dài, giảm độ rộng của vùng cấm. Sự dịch của bờ hấp thụ về phía bước sóng dài và giảm độ rộng của khe năng lượng sẽ làm tăng hoạt tính quang xúc tác của hệ vật liệu BFO, giúp các ứng dụng trong thực tế thuận lợi hơn. Các kết quả khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu được thống kê trong bảng 3.3 dưới đây
Bảng 3.3. Các kết quả thu được từ phổ hấp thụ UV-Vis của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3
Mẫu Vùng bước sóng hấp thụ mạnh Tâm bờ hấp thụ Độ rộng vùng cấm (eV) BiFeO3 210 nm đến 515 nm 548 nm 2,11 eV BiFe0,95Mn0,05O3. 216 nm đến 520 nm 561 nm 1,97 eV BiFe0,925Mn0,075O3 221 nm đến 519 nm 556 nm 1,94 eV KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương này chúng tôi trình bày các kết quả khảo sát đặc trưng cấu trúc, hình thái học, đặc trưng từ trễ và đặc tính hấp thụ quang của các mẫu BiFe1-xMnxO3. Các kết quả thu được từ thực nghiệm gồm:
1. Mẫu chế tạo được có độ đơn pha cao, chỉ mẫu không pha tạp còn tồn tại pha thứ cấp Bi25FeO40 với tỷ phần rất thấp, các mẫu có tỷ lệ tạp 5% và 7,5% gần như không tồn tại các pha thứ cấp. Kích thước hạt của các mẫu từ vài trục đến vài trăm nano mét và không đồng đều. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X và chụp SEM cũng cho thấy rằng tạp Mn làm thay đổi cấu trúc tinh thể và hình thái hạt của vật liệu.
2. Kết quả khảo sát đường cong từ trễ của các mẫu cho thấy khi thay thế một phần Fe bởi Mn thì đặc tính sắt từ của mẫu được cải thiện đáng kể. Trong các mẫu chế tạo được, mẫu có tỷ lệ tạp Mn 5% có tính sắt từ mạnh nhất với từ độ bão hòa Ms ≈ 0,87 emu/g và lực kháng từ Hc ≈ 100 Oe.
3. Phép đo phổ hấp thụ UV-Vis cho kết quả là dải hấp thụ mạnh kéo dài từ khoảng bước sóng 210 nm đến 515 nm đối với mẫu không chứa tạp và dịch về phía bước sóng dài hơn đối với các mẫu chứa tạp Mn. Kết quả tính toán xác định được độ rộng vùng cấm của các mẫu có tỷ lệ tạp 0%; 5%; 7,5% lần lượt là 2,11 eV; 1,97 eV; 1,94 eV.
KẾT LUẬN
Trong đề tài luận văn này chúng tôi đã thu được một số kết quả như sau: 1. Đã tìm hiểu tổng quan về cấu trúc tinh thể của vật liệu BiFeO3; tính chất từ, tính chất hấp thụ quang của vật liệu; ảnh hưởng của tạp chất nhóm kim loại chuyển tiếp lên các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ và đặc trưng hấp thụ của vật liệu.
2. Chế tạo thành công mẫu bột nano BiFe1-xMnxO3 với tỷ lệ tạp Mn bằng 0%; 5%; 7,5% bằng phương pháp sol-gel sử dụng chất nền là acid nitric và acid citric. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy các mẫu chế tạo được có độ đơn pha cao, chỉ mẫu không pha tạp còn tồn tại pha thứ cấp Bi25FeO40 với tỷ phần rất thấp, các mẫu có tỷ lệ tạp 5% và 7,5% gần như không tồn tại các pha thứ cấp. Kết quả khảo sát nhiễu xạ tia X và chụp SEM cũng cho thấy rằng tạp Mn làm thay đổi cấu trúc tinh thể và hình thái hạt của vật liệu.
3. Kết quả khảo sát đường cong từ trễ của các mẫu cho thấy khi thay thế một phần Fe bởi Mn thì đặc tính sắt từ của mẫu được cải thiện đáng kể. Trong các mẫu chế tạo được, mẫu có tỷ lệ tạp Mn 5% có tính sắt từ mạnh nhất với từ độ bão hòa Ms ≈ 0,87 emu/g và lực kháng từ Hc ≈ 100 Oe.
4. Phép đo phổ hấp thụ UV-Vis cho kết quả là dải hấp thụ mạnh kéo dài từ khoảng bước sóng 210 nm đến 515 nm đối với mẫu không chứa tạp và dịch về phía bước sóng dài hơn đối với các mẫu chứa tạp Mn. Kết quả tính toán xác định được độ rộng vùng cấm của các mẫu có tỷ lệ tạp 0%; 5%; 7,5% lần lượt là 2,11 eV; 1,97 eV; 1,94 eV.
Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo:
1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất hấp thụ quang của bột nano BiFe1-
xMnxO3 với tỷ lệ tạp Mn từ 4% đến 7% để xác định tỷ lệ tạp cho đặc trưng hấp thụ tốt nhất cho ứng dụng quang xúc tác.
2. Nghiên cứu thực nghiệm hoạt tính quang xúc tác trong phân hủy các chất màu hữu cơ của bột nano BiFe1-xMnxO3 chế tạo được.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt
[1] Nguyễn Thị Hà Chi (2015), “Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu BiFeO3 kích thước nanomet”, luận văn thạc sĩ khoa học, Khoa hóa học, ĐH. Khoa học Tự Nhiên ĐHQGHN, Hà Nội.
[2] Đào Việt Thắng (2017), “Chế tạo vật liệu BiFeO3, pha tạp và nghiên cứ một số tính chất”, luận án tiến sĩ vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
[3] Lưu Hoàng Anh Thư (2014), “Chế tạo và nghiên cứu vật liệu BiFeO3 pha tạp Eu3+”, Luận văn thạc sĩ khoa học, Khoa Vật lý, ĐH. Khoa học Tự Nhiên ĐHQGHN, Hà Nội.
[4] Vũ Thị Tuyết (2017). "Chế tạo và nghiên cứu các tính chất điện từ của hạt nano BiFe1-xMnxO3". Luận văn thạc sĩ khoa học vật chất, Khoa Vật lí, trường Đại học sư phạm Thái Nguyên.
Tài liệu tiếng Anh
[5] Azia Wahida Aziz and Noor Haida Mohd Kaus, “Structural, morphological, and optical properties of Mn-doped BiFeO3 nanoparticle-based polysaccharides”, Proceeding of The 6th of International Congress Energy and Environment Engineering and Management (CIIEM2015), Paris, France
[6] Catalan G., Scott J. F., “Physics and Applycations of Bismuth Ferite”, Adv, Mater, 2009, 21, 2463-2485
[7] Dai Y.R., Xun Q., Zheng X., Yuan S., Zhai Y., and Xu M. (2012), "Magnetic properties of Ni-substituted BiFeO3", Physica B407, pp. 560–563.
[8] Fischer P, Polomska M., Sosnowska I. and Szymanski M (1980), “Temperature dependence of the crystal and magnetic structures of BiFeO3”, J. Phys. C: Solid State Phys., 13, pp. 1931-1940.
[9] Fukumura H., Matsui S., Tonari N., Nakamura T., Hasuike N., Nishio K., Isshiki T., and Harima H. (2009), "Synthesis and Characterization of Mn Doped BiFeO3 Nanoparticles", Acta Phs. Pol. A 116(1), pp. 47-50.
[10] T. Gao, Z. Chen, Q. Huang, F. Niu, X. Huang, L. Qin and Y. Huang,
A review: Preparation of bismuth ferrite nanoparticles and its applications in visible-light induced photocatalyses, Rev. Adv. Mater. Sci. 40 (2015) 97 – 109.
[11] Ghanshyam A., Ashwani K., Mast R., and Nainjeet S. N. (2013), “Structural, dielectric, ferroelectric and magnetic properties of Mn-dope BiFeO3 nanoparticles synthesized by sol-gel method”, Internationa Journal of Advances in Engineering and Technology,Vol.5, Issue 2, pp. 245-252.
[12] Han Y. et al “Substitution-driven structural, optical and magnetic transformation of Mn, Zn doped BiFeO3”, Ceramics International 41 (2015) 2476–2483.
[13] Hao-Min Xu, Huanchun Wang, Ji Shi, Yuanhua Lin, Cewen Nan “Photoelectrochemical Performance Observed in Mn-Doped BiFeO3 Heterostructured Thin Films”, Nanomaterials 2016, 6, 215; doi:10.3390/nano6110215.
[14] Hussain T. et al. (2013), “Induced modifications in the properties of Sr doped BiFeO3 multiferroics”, Progress in Natural Science: MaterialsInternational, 23(5), pp. 487-492.
[15] Manisha Arora, P.C. Sati, Sunil Chauhan, Sandeep Chhoker, A.K. Panwar, Manoj Kumar, “Structural, Optical and Multiferroic Properties of BiFeO3 Nanoparticles Synthesized by Soft Chemical Route”, J Supercond Nov Mag, 2012, DOI 10.1007/s10948-012-1761-4
[16] Manoj Kumar, Subhash Chander K.atyal, Mukesh Jewariya, KanhaiyaLal Yadav (2012), “Multiferroic, Magnetoelectric and Optical Properties of Mn Doped BiFeO3 Nanoparticles”, Solid State Communications 152 (2012), 525–529.
[17] Manpreet Kaur, K. L. Yadav, Poonam Uniyal, “Investigations on multiferroic, optical and photocatalytic properties of lanthanum doped bismuth ferrite nanoparticles”, Adv. Mater. Lett. 2015, 6(10), 895-901.
[18] Rusakov V. S. et al,“Spatial Spin-Modulated Structure and Hyperfine Interactions of Fe Nuclei in Multiferroics BiFe1 – xTxO3 (T = Sc, Mn; x = 0, 0.05)”, ISSN 1063-7834, Physics of the Solid State, 2016, Vol. 58, No. 1, pp. 102–107
[19] Samar Layek, Santanu Saha, and H. C. Verma (2013), Department of Physics, Indian Institute of Technology, Kanpur, 208016, India, “Preparation, structural and magnetic studies on BiFe1-xCrxO3 (x = 0.0, 0.05 and 0.1) multiferroic nanoparticles”, AIP Advances 3, 032140
[20] Shreeja Pillai, Deepika Bhuwal, Alok Banerjee, and Vilas Shelke, “Bulk interface engineering for enhanced magnetization in multiferroic BiFeO3 compounds”, Appl. Phys. Lett. 102, 072907 (2013); doi: 10.1063/1.4793485
[21] Srinivas V., Raghavender A. T., and Vijaya Kumar K. (2016), “Structural and Magnetic Properties of Mn Doped BiFeO3 Nanomaterials”, Physics Research International, Volume 2016, Article ID 4835328, 5 pages http://dx.doi.org/10.1155/2016/4835328.
[22] Xiaofei BAI et al, “Size and doping effect on the structure, transitions and optical properties of multiferroic BiFeO3 particles for photocatalytic applications”, These de doctorat, Université Paris-Saclay, 2016, 198 page.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
Pham Mai An, Nguyen Van Chuong, Vu Thi Tuyet (2017), “Influence of calcination regimes on phase formation and magnetic property of nanopowders BiFeO3 synthesized by sol-gel method using citric acid”, International Research Journal, ISSN: 2227-6017, № 08 (62), P. 156-160.