CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, SẮT ĐIỆN VÀ ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN
3.1. Tính chất điện môi của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN
3.1.3. Sự phụ thuộc của tính chất điện môi vào tần số của trường ngoài
vào tần số của trường ngoài được tiến hành thông qua khảo sát sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của các nhóm mẫu MP, MZ tại các tần số khác nhau 1kHz, 10kHz, 100kHz và 1000kHz. Kết quả được biểu diễn ở Hình 3.3, Hình 3.4.
Hình 3.3. Hằng số điện môi theo nhiệt độ tại các tần số khác nhau của nhóm mẫu MP: MP65 (0,65 mol PZT), MP70 (0,7 mol PZT), MP75 (0,75 mol PZT), MP80
(0,8 mol PZT), MP85 (0,85 mol PZT) và MP90 (0,9 mol PZT)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 50 100 150 200 250 300 350
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
MP80 1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi Tổn hao điện môi tan
Nhiệt độ (oC)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
0 50 100 150 200 250 300 3500.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 MP70 0.60
1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi Tổn hao điện môi tan
Nhiệt độ (oC)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
0 50 100 150 200 250 300 3500.00
0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Tổn hao điện môi tan
Hằng số điện môi
Nhiệt độ (0C) MP75
0 50 100 150 200 250 300 3500.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
MP85
Hằng số điện môi Tổn hao điện môi tan
Nhiệt độ (oC)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2
0 50 100 150 200 250 300 350
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
1kH z 10kH z 100kH z 1000kH z
Tổn hao điện môi tan
Hằng số điện môi
N hiệ t độ (0C ) M P90
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
0 50 100 150 200 250 300 3500.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60
1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi
Nhiệt độ (0C)
Tổn hao điện môi tan
MP65
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
50 100 150 200 250 300 350
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi
Nhiệt độ (0C)
Tổn hao điện môi tan
MZ46
50 100 150 200 250 300 3500.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
MZ47 1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi
Nhiệt độ (0C)
Tổn hao điện môi tan
14000 16000 18000
0 40 0.45
MZ50 0.50 1kHz
10kH an
16000 18000 20000
0.35 MZ49 0.40
1kHz
i 10kH an
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
50 100 150 200 250 300 3500.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
MZ48 0.40 1kHz 10kHz 100kHz 1000kHz
Hằng số điện môi
Nhiệt độ (0C)
Tổn hao điện môi tan
0.35 0.40 12000
14000
MZ51
1kHz n
65
Tương ứng với sự gia tăng c ủa tần số đo, giá trị cực đại của hằng số điện môi max giảm, trong khi nhiệt độ ứng với cực đại max dịch chuyển về phía nhiệt độ cao hơn; điều này trái với các sắt điện bình thường như PbTiO3,ở đó giá trị đỉnh của gần như không thay đổi theo nhiệt độ khi tần số tăng [1], [3], [81]. Kết quả trên cho thấy rằng các tính chất điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số của trường ngoài tức có sự tán sắt điện môi [3], [5]. Đây là một đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe. Sự tán sắc điện môi có nguồn gốc từ độ bất trật tự trong cách sắp xếp của các cation tại vị trí B [3], [5], [81]. Sự bất trật tự trong mạng tinh thể có thể tạo ra các hiệu ứng lưỡng cực và hình thành trạng thái chuyển pha nhòe. Như vậy, các hiệu ứng trong mạng tinh thể và sự thay thế về mặt hoá học có thể dẫn đến sự tồn tại lưỡng cực trong hợp chất ABO3, có cấu trúc perovskite. Ở vùng nhiệt độ cao, sự dao động nhiệt lớn nên các mômen lưỡng cực không xác định. Tuy nhiên, khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ TB (TB: nhiệt độ Burn), các mômen lưỡng cực sẽ tồn tại và gây ra sự phân cực trong các ô mạng gần kề ô mạng chủ, làm hình thành “đám mây” phân cực. Thể tích của các “đám mây” này được xác
66
định bởi mức độ phân cực hoặc bởi chiều dài tương quan của các dao động lưỡng cực, rC. Khi gần nhiệt độ TB (>> Tm), rC nhỏ và các “đám mây” phân cực tương đương với các đômen phân cực kích cỡ nanô. Khi nhiệt độ giảm, giá trị rC tăng, do đó kích thước của các đômen phân cực nanô tăng, làm tăng thể tích các vùng phân cực và sự tương tác giữa chúng. Nếu thể tích vùng phân cực không đủ lớn, sẽ làm chậm lại sự hồi phục định hướng phân cực ở nhiệt độ T
Tm và đông cứng ở nhiệt độ T < Tf (Tf: nhiệt độ đông cứng) làm hình thành một trạng thái relaxor [5].
Để mô tả trạng thái thủy tinh - phân cực trong hệ vật liệu PZT-PZN- PMnN, hệ thức Volgel-Fulcher (3.2) [68], [69] được sử dụng:
f m 0 0
T T exp T f
f (3.2)
Trong đó f: tần số đo, f0: tần số Debye (1013 Hz), T0 = Ea/k, Ea: năng lượng kích hoạt, k: hằng số Boltzmann, Tf: nhiệt độ đông cứng tĩnh tương ứng với trạng thái thuỷ tinh, Tm: nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại. Với các giá trị của Tm được xác định trên Hình 3.3, Hình 3.4 ta xác định được sự phụ thuộc của của Tm(f) như ở Hình 3.5, Hình 3.6.
Sự phù hợp khá tốt giữa số liệu thực nghiệm với hệ thức Vogel – Fulcher cho thấy rằng hệ thức này có thể được sử dụng để giải thích trạng thái chuyển pha nhòe trong hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN tương tự như trạng thái của các thủy tinh lưỡng cực có sự dao động phân cực ở trên một nhiệt độ đông đặc tĩnh, Tf (Bảng 3.3).
200 205 210 215 220 225 230
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ln(f) (Hz)
Nhiệt độ Tm (OC) Số liệu thực nghiệm Đ−ờng làm khớp MP65
215 220 225 230 235 240
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ln(f) (Hz)
Nhiệt độ T
m (OC) Số liệu thực nghiệm
Đ−ờng làm khớp MP70
230 235 240 245 250 255
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ln(f) (Hz)
Nhiệt độ T
m (OC) Số liệu thực nghiệm Đ−ờng làm khớp
MP75
14 14 14
67
Bảng 3.3. Các thông số thu được từ việc làm khớp số liệu với các hệ thức Vogel – Fulcher
Mẫu f0(Hz) T0(oC) Tf(oC) Mẫu f0(Hz) T0(oC) Tf(oC)
245 250 255 260 265 270 275
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ln(f) (Hz)
N h iệ t đ ộ T
m (OC ) Số liệu thực nghiệm Đ−ờng làm k hớp M Z46
240 245 250 255 260 265 270
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ln(f) (Hz)
N hiệ t độ Tm (OC ) Số liệu thực nghiệm
Đ−ờng làm khớp M Z47
2 40 2 4 5 2 5 0 2 5 5 26 0
6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5
Ln(f) (Hz)
N h iệ t đ ộ Tm (OC ) S ố liệu th ự c n g h iệ m Đ−ờ n g là m k h ớ p M Z 4 8
2 3 5 2 4 0 2 4 5 2 5 0 2 5 5 2 6 0
6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5
Ln(f) (Hz)
N h iệ t đ ộ Tm (OC )
S ố liệ u th ự c n g h iệ m Đ−ờ n g là m k h ớ p M Z 4 9
23 5 2 40 24 5 25 0
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ln(f) (Hz)
N h iệ t đ ộ Tm (OC ) S ố liệ u th ự c n g h iệm Đ−ờ n g làm k h ớ p M Z 50
230 235 240 245 250
6 7 8 9 10 11 12 13 14
Ln(f) (Hz)
N h iệ t đ ộ Tm (OC ) S ố liệu th ực ng h iệm Đ−ờn g làm kh ớ p M Z 51
Hình 3.6. Đường thực nghiệm và đường làm khớp với hệ thức Vogel – Fulcher của các mẫu MZ: MZ46 (Zr/Ti = 46/54), MZ47 (Zr/Ti = 47/53), MZ48 (Zr/Ti = 48/52),
MZ49 (Zr/Ti = 49/51), MZ50 (Zr/Ti = 50/50), MZ51 (Zr/Ti = 51/49)
68
MP65 16,1x108 397,8 178,9 MZ46 17,0x108 192,0 239,8 MP70 10,9x108 253,9 198,4 MZ47 11,9x108 231,0 228,5 MP75 10,8x108 301,8 208,3 MZ48 10,2x108 112,2 223,7 MP80 11,9x108 231,0 228,5 MZ49 5,9x108 105,0 221,2 MP85 5,9 x108 216,7 237,7 MZ50 4,8x108 166,6 219,4 MP90 4,4 x108 253,7 255,4 MZ51 3,9x108 148,2 214,6