Các phương pháp tổng hợp SrTiO3

L/O/G/O
TỔNG HỢP SrTiO
3
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN KỸ THUẬT VÔ CƠ
www.themegallery.com
Bố cục
1. Tổng quan SrTiO
3
2. Các phương pháp tổng hợp chính
3. Tổng hợp bằng phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt
4. Tổng hợp bằng phương pháp sol-gel
5. Kết luận
www.themegallery.com
Cấu trúc
•
Perovskite-type oxide là họ chất có công
thức phân tử ABO
3.
•
Cấu trúc được cho ở hình bên.
•
SrTiO
3
là đại diện của họ này.
Chem. Mater. 10 (1998) ,2787
Cấu tạo tinh thể ABO
3
dạng lập phương
( đỏ : O ; xanh dương: B; xanh lá: A )

www.themegallery.com
Tính chất
•
SrTiO
3
là một chất bán dẫn loại n với vùng cấm E = 3,2 eV.
•
SrTiO
3
có hằng số điện môi lớn và ổn định, độ tổn hao điện môi nhỏ,
tính bền nhiệt và bền hóa học cao; ổn định về các đặc tính vôn – ampe,
hiệu suất lượng tử, có khả năng cách điện tốt….
www.themegallery.com
Ứng dụng
Trong công nghiệp hóa học: xúc tác quang hóa
Trong công nghiệp bán dẫn: tụ điện đa lớp, pin mặt trời, điện cực
quang hóa, cảm biến O
2
, bộ dẫn động, thiết bị điện quang, bộ nhớ
truy cập ngẫu nhiên…
www.themegallery.com
Ứng dụng của SrTiO
3
Ứng dụng
www.themegallery.com
Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO
3

•
Phản ứng pha rắn.

•
Phương pháp thủy phân.
•
Phương pháp nung.
•
Nhiệt phân phun siêu âm.
•
Đồng kết tủa.
•
Phương pháp dựa trên peroxide.
•
Phương pháp muối nóng chảy.
www.themegallery.com
Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO
3

•
Phương pháp vi nhũ
•
Phươn pháp thủy nhiệt và thủy nhiệt có hỗ trợ vi sóng.
•
Phương pháp sol – gel và kiểm soát pha gel trong hương pháp sol – gel có
sự hỗ trợ epoxit (bị kết tụ và cấu trúc không đều).
•
Tiền chất polyme
www.themegallery.com
Phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt
•
Phương pháp tiền chất polime có nhiều ưu điểm: dễ kiếm soát lượng chất, dễ đạt kích thước
nano, dễ dàng lặp lại.

•
Xử lý nhiệt bằng N
2
ở nhiệt độ cao trước khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp trong không khí hay
oxi, có thể ngăn chặn quá trình tăng trưởng tinh thể của các hạt nano, từ đó đạt được một phân
bố kích thước hạt nhỏ hơn và hẹp hơn.

Tiền chất polime
Xử lý nhiệt
Phương pháp mới
www.themegallery.com
Phương pháp sol-gel
Ưu điểm:
-
Độ tinh khiết cao, độ đồng nhất cao hơn
-
Kích thước hạt nhỏ hơn, và nhiệt độ kết tinh thấp
Khuyết điểm:
-
Tạp chất dễ dàng hình thành từ dung môi.
Xử lý acid đã được thêm vào để khắc phục nhược điểm kể trên.
www.themegallery.com
Tổng hợp nano SrTiO3 bằng phương pháp tiền chất
polime có xử lý nhiệt trong khí trơ và oxy
www.themegallery.com
Quy trình tổng hợp SrTiO
3
Dung dịch polime
Xử lý nhiệt
(trong không khí)

300
o
C, 8h, tốc độ gia nhiệt 10
o
C/
phút
Tạo bột
Xử lý nhiệt
(trong N
2
)
Gia nhiệt
Xử lý nhiệt
(trong k
2
giàu O
2
)
SAM1
750
o
C, 2h, tốc độ gia nhiệt 10
o
C/
phút
SAM3
(SAM2)
450
o
C, 4h

www.themegallery.com
Xác định tính chất
Phổ Raman
Nitrogen physisorption measurements
HRTEM
FE-STEM
XRD
www.themegallery.com
XRD
Kết quả XRD của 3 mẫu SrTiO
3
www.themegallery.com
XRD
•
Cấu trúc perovskite khối SrTiO
3
với ô mạng
a = 3.90 ˚ A.
•
Xuất hiện 2 mũi của pha SrCO
3
ở 25.2
◦
và 36
◦
.
•
Cường độ peak và độ rộng đỉnh của mẫu SAM2 và SAM3 so với SAM1=>xử lý
nhiệt trong khí quyển nitơ cho kích thước sản phẩm nhỏ hơn.
•

SAM3 có độ tinh thể cao hơn SAM2 => xử lý nhiệt bằng O
2
sau khi xử lý N
2
cho
tinh thể tốt hơn.
www.themegallery.com
Diện tích bề mặt và kích thước hạt
Mẫu
Kích thước tinh thể
theo XRD(nm)
Diện tích bề mặt
theo BET
(m
2
.g
-1
)
Kích thước hạt theo
BET d
BET
(nm)
Kích thước hạt FE-
SEM (nm)
SAM1 39 16 73 65 ± 3
SAM2 7
SAM3 11 83 14 10.8 ± 0.4
d
BET
= (6/S

BET
ρ)
S
BET
is the BET surface area and ρ is the theoretical density of the studied phases
www.themegallery.com
Diện tích bề mặt và kích thước hạt
•
Mẫu SAM3 (mẫu được xử lý nhiệt với N
2
ở 750
o
C và sau đó là O
2
ở 400
o
C )
có kích thước hạt nhỏ hơn và diện tích bề mặt riêng cao hơn mẫu SAM1.
•
Sự hình thành tinh thể, hình dạng tinh thể, sự hấp phụ có thể khống chế
bằng năng lượng bề mặt.
=> Việc xử lý nhiệt trong N
2
cho hiệu quả tốt hơn.
www.themegallery.com
FE-SEM
Hình FE-SEM của mẫu SAM1 được
xử lý nhiệt trong không khí cho thấy
dạng kết tụ vô định hình của các hạt
nano với việc hình thành cổ (khuyết

tật co thắt) và dính chặt với nhau.
FE-SEM của mẫu SAM1
www.themegallery.com
FE-SEM
Mẫu SAM3 tồn tại các hạt gần như tròn
và có kích thước nano. Mặc dù SAM3
có kết tụ nhưng không có việc hình
thành cổ và hiện tượng dính tụ.
FE-SEM của mẫu SAM3
Kích thước hạt giảm và độ tinh thể
tăng so với mẫu SAM1
www.themegallery.com
FE-STEM
FE-STEM của mẫu SAM1
Hình FE-STEM của mẫu SAM1 được
xử lý nhiệt trong không khí cho thấy
dạng kết tụ vô định hình của các hạt
nano với việc hình thành cổ và dính
chặt với nhau
www.themegallery.com
FE-STEM
•
Hình FE-STEM của mẫu
SAM2 cho thấy sự kết tụ
cacbon chứa các phân tử
nhỏ SrTiO
3
.
FE-STEM của mẫu SAM2
www.themegallery.com

Phổ Raman
www.themegallery.com
Phổ Raman
•
Phổ Raman của mẫu SAM1 không có peak nào đặc
trưng vì phổ Raman không được sử dụng cho vật liệu có
cấu trúc lập phương.
•
Phổ Raman của mẫu SAM2 cho thấy hai peak rộng D
(1360 cm
−1
) và G (1590 cm
−1
) là 2 peak đặc trưng của
cacbon vô định hình.
•
Kết hợp phổ Raman và hình FE-STEM của mẫu SAM3 sau khi xử lý với O
2
thì loại bỏ hết carbon vô định
hình dẫn đến hình thành các phân tử nano SrTiO
3
.
FE-STEM của mẫu SAM3
www.themegallery.com
HRTEM
Khoảng cách giữa các mặt phẳng sát nhau
khoảng 0.28 nm giống với khoảng cách của
mặt (110) trong cấu trúc lập phương của
vật liệu perovskite SrTiO
3

.
HRTEM của mẫu SAM2
www.themegallery.com
HRTEM
•
HRTEM cho thấy việc tồn tại các hạt gần
tròn với kích thước gần 10 nm.
•
Trong phần phóng to cho thấy việc xử lý
nhiệt trong O
2
không ảnh hướng đến cấu trúc
SrTiO
3
với kích thước giữa 2 mặt vẫn là 0.28
nm.
HRTEM của mẫu SAM3