4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐẾN CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN CỦA THÀNH PHẦN VẬT LIỆU 0,48BZT 0,15
4.3.1. Khảo sát cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu 0,48BZT 0,15 khi thay đổi nhiệt độ thiêu kết
Hình 4.19 là giản đồ XRD của vật liệu 0,48BZT0,15 theo nhiệt độ thiêu kết.
20 30 40 50 60 70 80 44.7 45.0 45.3 45.6 45.9
1400°C
1350°C
1300°C
2
(200)R(200)T
Tứ giác Mặt thoi
1450°C (002)
T
(b)
Cường độ (đvtđ)
1300°C 1350°C 1400°C
1450°C
(a)
Hình 4.19. Giản đồ XRD của vật liệu 0,48BZT0,15
trong khoảng ( )a (20o 70 )o , ( )b (44o 46 )o tại các nhiệt độ thiêu kết
Nhìn chung, vật liệu sở hữu pha perovskite thuần túy (hình 4.19a). Để làm rõ tác động của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, chúng tôi nghiên cứu giản
đồ XRD của vật liệu trong vùng 44o 46o (hình 4.19b). Dễ dàng quan sát thấy sự phân tách rõ ràng hai đỉnh nhiễu xạ (002) và (200) đối với các mẫu được thiêu kết ở 1300 Co , 1350 Co , 1400 Co , tức là, vật liệu sở hữu đối xứng tứ giác. Trong mẫu vật liệu được thiêu kết ở 1450 Co , có sự tồn tại đồng thời pha tứ giác và mặt thoi, với tỷ lệ pha tứ giác, tính theo phương trình (3.1), là 67, 3%. Nói cách khác, thành phần 0,48BZT0,15 nằm tại MBP. Theo kết quả nghiên cứu ở chương 3, thành phần 0,48BZT cũng nằm ở MBP, với tỷ phần pha tứ giác là 71, 7%. Rõ ràng là, 0,15% khối lượng tạp ZnO nano chưa làm thay đổi tính chất đối xứng tinh thể mà chỉ làm thay đổi tỷ phần pha của vật liệu. Điều này có thể tạo nên sự khác biệt trong một số tính chất áp điện của vật liệu ở nhiệt độ này.
Hình 4.20. Ảnh SEM của vật liệu 0, 48BZT0,15theo nhiệt độ thiêu kết
1300oC 1350oC
1400oC 1450oC
Ảnh vi cấu trúc của vật liệu trên hình 4.20 và kết quả tính toán trong bảng 4.11 cho thấy, biên hạt khá sạch, cỡ hạt phát triển, mức độ mức độ xếp chặt được nâng cao, do vậy, tỷ trọng của vật liệu tăng theo nhiệt độ thiêu kết.
Bảng 4.11. Tỷ trọng và cỡ hạt của vật liệu 0, 48BZT0,15 theo nhiệt độ thiêu kết
T (oC) 1300 1350 1400 1450
Sg (m) 18,2 21,6 31,4 34,6
(g/cm3) 5520 5600 5644 5689
Hình 4.22 minh họa sự so sánh quy luật phụ thuộc nhiệt độ thiêu kết của cỡ hạt và tỷ trọng đối với thành phần 0,48BZT0,15và 0,48BZT. Theo đó, các đại lượng này đều tăng theo nhiệt độ thiêu kết, song, giá trị của cỡ hạt và tỷ trọng của vật liệu 0,48BZT0,15đều lớn hơn các đại lượng tương ứng của vật liệu 0,48BZT. Điều này chứng tỏ, một lượng nhỏ ZnO nano có khả năng cải thiện trạng thái thiêu kết của các vật liệu.
1300 1350 1400 1450 10
15 20 25 30 35
1300 1350 1400 1450
5000 5200 5400
0,48BZT 5600
0,48BZT - 0,15
(kg/m3 )
T (°C) 0,48BZT 0,48BZT - 0,15 Sg (m)
T (°C)
Hình 4.21. Sự phụ thuộc nhiệt độ thiêu kết của cỡ hạt và tỷ trọng đối với các vật liệu 0, 48BZT0,15và 0, 48BZT
4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến một số tính chất áp điện của vật liệu 0,48BZT0 15,
Trong phần này, chúng tôi chỉ khảo sát một số đại lượng áp điện đối với mode dao động theo phương bán kính và chiều dọc khi nhiệt độ thiêu kết vật liệu thay đổi.
Hình 4.22 là phổ cộng hưởng áp của vật liệu 0,48BZT0,15 được thiêu kết ở 1450 Co .
100 101 102 103 104
260 270 280 290 300 310 -75 -50 -25 0 25 50 75
(a)
f (kHz)
103 104 105
300 350 400 450 500 550 600 -75 -50 -25 0 25 50 75
(b)
f (kHz)
Hình 4.22. Phổ cộng hưởng theo ( )a phương bán kính, ( )b chiều dọc của vật liệu 0, 48BZT0,15 thiêu kết ở 1450 Co
Các thông số áp điện chủ yếu ứng với hai kiểu dao động này được tính toán trên cơ sở các chuẩn IRE và IEEE (bảng 4.12)
Bảng 4.12. Giá trị kp, k33, d33 của vật liệu 0, 48BZT0,15 theo nhiệt độ thiêu kết
T (oC) kp k33 d33 (pC/N)
1300 0,32 0,48 340
1350 0,48 0,57 420
1400 0,49 0,61 474
1450 0,55 0,71 576
Nhìn chung, các thông số áp điện nói trên đồng loạt tăng khi tăng nhiệt độ thiêu kết. Đây có thể là hệ quả của sự cải thiện vi cấu trúc trong vật liệu khi nhiệt độ thiêu kết thay đổi. Các thông số áp điện của thành phần vật liệu 0,48BZT0,15 đều cao hơn các đại lượng cùng loại của vật liệu 0,48BZT tại cùng một nhiệt độ thiêu kết (hình 4.23).
1300 1350 1400 1450 0.14
0.21 0.28 0.35 0.42 0.49 0.56
1300 1350 1400 1450
100 200 300 400 500 600 0,52
T (°C)
0,48BZT- 0,15 0,48BZT
0,55
0,48BZT- 0,15 0,48BZT
542576
T (°C)
d33 (pC/N)
kp
Hình 4.23. So sánh các tính chất áp điện của hai vật liệu 0, 48BZT0,15và 0, 48BZT theo nhiệt độ thiêu kết
Xét các vật liệu được thiêu kết ở 1450 Co , giá trị kp và d33 của 0,48BZT0,15 lần lượt là 0, 55 và 576 pC/N (bảng 4.12), trong khi các giá trị này của 0,48BZT là 0, 52 và 542 pC/N (bảng 2.3). Đây là hai thành phần vật liệu nằm ở MPB.Như đã trình bày ở chương 1, MPB (nơi chồng lấn giữa pha mặt thoi và pha tứ giác) gắn liền với 14 hướng phân cực khả dĩ (trong đó, 6 hướng của pha tứ giác, 8 hướng của pha mặt thoi) có rào thế thấp. Các hướng phân cực này được định hướng tối ưu trong suốt quá trình phân cực gây ra các tính chất điện môi, áp điện tuyệt vời của vật liệu. Giả sử rằng, thành phần đối xứng tinh thể của hai vật liệu đang xét chỉ có pha tứ giác và pha mặt thoi. Khi đó, tỷ lệ của chúng trong mỗi vật liệu được định lượng như trong bảng 4.13.
Bảng 4.13. Tỷ lệ pha trong hai vật liệu 0, 48BZT0,15và 0, 48BZT ở MPB Vật liệu Tỷ lệ pha tứ giác Tỷ lệ pha mặt thoi 0,48BZT – 0,15 63,7% 36,3%
0,48BZT 71,7% 29,1%
Có thể nói, tạp ZnO nano đã góp phần nâng cao tỷ lệ pha mặt thoi, từ đấy tăng cường khả năng định hướng của các vector phân cực. Đây có thể là
nguyên nhân làm cho các tính chất áp điện của vật liệu 0,48BZT0,15 tốt hơn so với vật liệu 0,48BZT (cùng được thiêu kết ở 1450 C) o
Hệ số liên kết điện cơ kp và hệ số áp điện theo chiều dọc d33 của vật liệu 0,48BZT0,15 được thiêu kết ở 1450 Co đều cao hơn các tham số cùng loại Ba0,85Ca0,15Ti Zr O0,9 0,1 3 pha tạp ZnO kích thước micro thiêu kết ở 1480 Co (d33 521 pC/N, kp 0, 48) [105]. Điều này khẳng định, tạp có kích cỡ nano thể hiện sự ưu việt so với tạp ở thang micro trong việc cải thiện tính chất của vật liệu áp điện.
Kết luận chương 4
Trong chương này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tạp ZnO nano đến các tính chất vật lý của vật liệu 0,48BZT. Vật liệu 0,48BZT pha 0,15% khối lượng ZnO nano (0,48BZT0,15) được thiêu kết ở 1350 Co cho các tính chất áp điện tương đối cao so với vật liệu trên cơ sở PZT, với, d33 420 pC/N, kp 0, 48, k33 0, 57. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, vi cấu trúc và tính chất áp điện của thành phần vật liệu 0,48BZT0,15. Theo đó, việc gia tăng nhiệt độ thiêu kết làm cho đối xứng của vật liệu dịch chuyển từ tứ giác về MPB, trong khi các tham số vi cấu trúc, một số đại lượng áp điện đều tăng và vượt trội so với thành phần 0,48BZT. Mẫu vật liệu 0,48BZT0,15 được thiêu kết tại 1450 Co cho các tính chất áp điện nổi bật (d33 576 pC/N, kp 0, 55), cao hơn các tham số cùng loại của vật liệu
0,85 0,15 0,9 0,1 3
Ba Ca Ti Zr O pha tạp ZnO kích thước micro được thiêu kết ở 1480 Co (d33 521 pC/N, kp 0, 48).
Kết quả quan trọng của chương này được chuyển thể thành 01 bài báo và đăng tải trên Tạp chí International Journal of Modern Physics B (2015), IF: 0,937.
CHƯƠNG 5