BiFeO3
Ảnh hưởng của tỷ lệ kim loại Bi/Fe đến sự hình thành pha BiFeO3 được nghiên cứu với các điều kiện tổng hợp sau: tỷ lệ mol giữa kim loại Bi/Fe được thay đổi lần lượt 5/1; 3/1; 1/1; 1/3; 5/1, các bước tổng hợp vật liệu không thay đổi như tạo gel ở pH = 1và gel sau khi sấy ở 120oC trong 4 giờ được đem nung ở 500°C trong 2 giờ. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X được ghi lại ở Hình 3.3.
●BiFeO3 ▲β-Bi2O3 ♦Bi36Fe2O57 ▪α-Bi2O3
Hình 3.3: Giản đồ XRD của các mẫu có tỷ lệ mol kim loại Bi/Fe khác nhau:
a) 5/1; b) 3/1; c) 1/1; d) 1/3; e) 1/5
Trên giản đồ XRD ở Hình 3.3 chỉ ra rằng:
(a) Khi tỉ lệ mol Bi/Fe = 5/1 trên giản đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện các tín hiệu đặc trưng của các pha khác BiFeO3 như β-Bi2O3, Bi36Fe2O57.
(b) Cũng giống như tỉ lệ mol Bi/Fe = 5/1, tỉ lệ mol Bi/Fe = 3/1 cũng xuất hiện các pha tinh thể khác là β-Bi2O3, Bi36Fe2O57 và xuất hiện thêm một pha khác là α-Bi2O3.
(c) Khi tỉ lệ mol Bi/Fe = 1/1 thì giản đồ nhiễu xạ tia X chỉ xuất hiện các tín hiệu đặc trưng rất rõ ràng của pha tinh thể BiFeO3 cấu trúc perovskit.
(d) Khi tăng Fe ban đầu theo tỉ lệ Bi/Fe = 1/3 ngồi pha BiFeO3 cịn xuất hiện pha tinh thể β-Bi2O3, 2 tín hiệu đặc trưng của 2 pha tinh thể cùng xuất hiện với cường độ lớn.
(e) Tiếp tục tăng lượng Fe theo tỉ lệ Bi/Fe = 1/5 thì tín hiệu đặc trưng cho pha tinh thể BiFeO3 xuất hiện với cường độ nhỏ, không rõ ràng và xuất hiện pha β-Bi2O3, Bi36Fe2O57 trong giản đồ nhiễu xạ tia X.
Vậy tỷ lệ mol kim loại Bi/Fe ban đầu ảnh hưởng rất nhiều tới việc hình thành pha BiFeO3.Tỷ lệ của Bi càng lớn tạo ra càng nhiều pha tạp không mong muốn, ở tỷ lệ mol Bi/Fe là 5/1; 3/1; 1/3; 1/5 ngồi pha perovskit BiFeO3 cịn có thêm các pha β-Bi2O3, Bi36Fe2O57, α-Bi2O3 do sự thiếu, thừa của sắt hoặc bitmut nên không thể đi vào liên kết tạo thành pha perovskit BiFeO3. Ở các tỷ lệ mol Bi/Fe là 1/1 chỉ tồn tại pha perovskit BiFeO3 do sắt và bitmut phản ứng vừa đủ với nhau. Do vậy muốn tổng hợp được vật liệu BiFeO3 tinh thể perovkit đơn pha thì thỉ lệ mol Bi/Fe ban đầu khi đưa vào dung dịch phản ứng phải là 1/1, tỉ lệ này cũng được chọn là điều kiện phản ứng cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.4. Cấu trúc, hình thái, kích thước tinh thể BiFeO3 được tổng hợp ở điều kiện tối ưu. kiện tối ưu.
Từ các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung và tỉ lệ mol Bi/Fe, mẫu được chế tạo ở điều kiện tối ưu như nhiệt độ tạo gel 80oC, tỷ lệ mol Bi/Fe = 1/1, tỷ lệ kim loại/PVA= 1/3, pH = 1 (do trong quá trình tạo gel các cation rất dễ tủa nếu pH của dung dịch > 1), nung mẫu ở 500oC trong 2 giờ trong khơng khí được đem xác định thành phần pha bằng giản đồ XRD trên máy Siemens D 5000 (Hình
3.4), vi hình thái học hình SEM trên máy S 4800 (Hình 3.5) và thành phần nguyên tố phổ EDX trên máy S 4800 (Hình 3.6).
Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BiFeO3 tổng hợp ở điều kiện tối ưu
Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X trên Hình 3.4, có thể thấy rằng mẫu tổng hợp ở điều kiện tối ưu thu được tinh thể BiFeO3 đồng nhất đơn pha với cấu trúc perovskit. Từ ảnh chụp bề mặt vật liệu SEM (Hình 3.5) cho thấy vật liệu có kích thước đồng nhất < 50 nm. Vậy vật liệu BiFeO3 đơn pha với cấu trúc perovskit đã được tổng hợp bẳng phương pháp đốt cháy gel, so với một số tài liệu nghiên cứu trước đây chủ yếu chỉ thu được vật liệu đa pha BFO và ở điều kiện tổng hợp được vật liệu đơn pha hết sức khó khăn thì vật liệu đã được tổng hợp thành công ở nhiệt độ thấp 500°C và những điều kiện ban đầu thực hiện dễ dàng.
Hình 3.6: Phổ tán xạ năng lượng tia X của mẫu BiFeO3 tổng hợp ở điều kiện tối ưu
Từ phổ EDX (Hình 3.6) và bảng thành phần phần trăm khối lượng các nguyên tố của mẫu này (Bảng 3.1) thấy chỉ xuất hiện các tín hiệu của 3 nguyên tố sắt, bitmut và oxi cho thấy thành phần nguyên tố của oxit hỗn hợp BiFeO3 gồm 3 nguyên tố không bị lẫn các nguyên tố khác và có tỉ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố trên thực tế phù hợp với tính tốn theo lý thuyết.
Bảng 3.1: Thành phần nguyên tố trong mẫu BiFeO3 tổng hợp ở điều kiện tối ưu
Nguyên tố Bi Fe O
Phần trăm khối lượng
trên lý thuyết (%) 66,77 17,9 15,33
Phần trăm khối lượng
trên thực tế (%) 67,21 16,36 15,74
Vậy có thể kết luận rằng ở điều kiện tối ưu (trong điều kiện nghiên cứu) đã tổng hợp được vật liệu BiFeO3 với cấu trúc perovskit, đơn pha, đồng nhất kích thước < 50 nanomet.