Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu la2nio4
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (573.25 KB, 13 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------
LÊ VŨ ĐẠT
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU La2NiO4
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - Năm 2014
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------
LÊ VŨ ĐẠT
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU La2NiO4
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số
: 60440104
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN NGỌC ĐỈNH
Hà Nội - Năm 2014
2
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy
giáo TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh đã giúp đỡ, chi bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất và trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý chất rắn, Khoa Vật
lý, Trung tâm khoa học vật liệu – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học
Quốc gia Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Hóa học vô cơ đã
tạo điều kiện, giúp đỡ em về mặt thiết bị cũng nhƣ hóa chất, đã cung cấp cho em
những kiến thức quý báu trong quá trình chế tạo mẫu
Cuối cùng tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới những ngƣời thân,
anh,em, bạn bè đã động viên giúp đỡ rất nhiều để tôi thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn một cách hoàn chỉnh nhất
song vẫn không tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp quý
báu của thầy cô và các bạn để luận văn đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 17 tháng 12 năm 2014
Học Viên
Lê Vũ Đạt
3
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................................... 10
1.1. Vật liệu Perovskite. ........................................................ Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Cấu trúc Perovskite..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Liên kết trong mạng Perovskite. ................................. Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Vật liệu Perovskite sắt từ. ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Vật liệu Perovskite sắt điện. ....................................... Error! Bookmark not defined.
1.2. Vật liệu BaTiO3. ............................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Vật liệu La2NiO4............................................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Vật liệu multiferroics..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.4.1. Phƣơng pháp sol- gel .................................................. Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Phƣơng pháp phản ứng pha rắn (phƣơng pháp gốm) . Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU. ...................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1. Chế tạo La2NiO4 bằng phƣơng pháp sol- gel............... Error! Bookmark not defined.
2.2. Chế tạo BaTiO3 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt (sử dụng BaTiO3 chế tạo sẵn).Error!
Bookmark not defined.
2.3. Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x bằng phƣơng pháp nghiền
trộn pha rắn. ................................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Phƣơng pháp tổng hợp hệ mẫu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x bằng phƣơng pháp sol- gel
(phƣơng pháp lõi vỏ). ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Nhiễu xạ kế tia X. ........................................................... Error! Bookmark not defined.
2.6. Kính hiển vi điện tử quét (SEM). .................................. Error! Bookmark not defined.
2.7. Hệ đo các tính chất từ VSM. ........................................ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ THẢO LUẬN. ........... Error! Bookmark not defined.
3.1. Cấu trúc. ......................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Cấu trúc của vật liệu La2NiO4. ................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Cấu trúc của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3)x .......... Error! Bookmark not defined.
3.2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của hệ vật liệu vào nhiệt độ. .. Error! Bookmark not
defined.
3.3. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hệ vật liệu vào nhiệt độ. .. Error! Bookmark
not defined.
4
3.4. Sự phụ thuộc của tính chất từ của hệ vật liệu vào nhiệt độ. ...... Error! Bookmark not
defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A,B
: Các ion (cation)
O
: Nguyên tử Oxy
CGS
: (centimetre-gram-second system) là hệ đơn vị của vật lý học dựa trên
centimet nhƣ là đơn vị của chiều dài, gam là đơn vị khối lƣợng, và giây là đơn vị thời
gian.
La : nguyên tố Latan
Ba : nguyên tố Bari
Ca : nguyên tố Canxi
Fe : nguyên tố Sắt
Ni : nguyên tố Niken
C : Nguyên tố Cacbon
Tc : Nhiệt độ chuyển pha Curie
C : Nhiệt độ Curie – Weiss
AC : axit ctric.
SEM : Kính hiển vi điện tử.
TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua.
EDX : Phƣơng pháp phân tích phổ
5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.1
Bán kính ion và các thông số mạng của một số hợp chất có
cấu trúc Perovskite.
Bảng 3.1.1
Kí hiệu, độ pH, nhiệt độ nung, thời gian nung các mẫu La2NiO4.
Bảng 3.1.2
Kí hiệu, tỷ lệ thành phần, nhiệt độ nung, thời gian nung của
hệ mẫu La2NiO4.
Bảng 3.2.1
Bảng giá trị năng lượng kích hoạt của mẫu R5, R6, R7
6
7
DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1.1
Cấu trúc perovskite lý tưởng.
9
Hình 1.1.2
Đồ thị năng lượng tổng cộng theo thể tích ô mạng ứng với một
12
cấu hình ion xác định.
Hình 1.1.3
Pha cấu trúc và phân cực tự phát.
13
Hình 1.1.4
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phân cực tự phát trong các pha
14
cấu trúc của BaTiO3.
Hình 1.1.5
Sự tạo thành giếng thế kép trong mạng ion Perovskite sắt điện.
14
Hình 1.1.6
Đômen của vật liệu sắt điện.
16
Hình 1.1.7
Đường cong điện trễ.
17
Hình 1.2.1
Minh họa các đặc trưng và tác động qua lại của tính sắt điện và
19
sắt từ trong vật liệu Multiferroics.
Hình 1.2.2
Mối quan hệ giữa vật liệu Multiferroics và vật liệu điện từ.
19
Hình 2.1.1
Sơ đồ chế tạo La2NiO4 bằng phương pháp sol – gel.
22
Hình 2.1.2
Hình thành gel nhớt với độ pH khác nhau.
23
Hình 2.1.3
Gel nhớt sau khi sấy khô và nung sơ bộ.
23
Hình 2.1.4
Nghiền bột xốp bằng cối mã não.
24
Hình 2.1.5
Bột La2NiO4 thu được sau khi nung thiêu kết.
24
Hình 2.2.1
Quy trình chế tạo vật liệu BaTiO3 bằng phương pháp thủy nhiệt.
24
Hình 2.2.2
Thiết bị ủ nhiệt và bình thủy nhiệt.
26
Hình 2.2.3
Ảnh SEM của BaTiO3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
27
Hình 2.3.1
Giản đồ thời gian của quá trình nung thiêu kết.
27
Hình 2.4.1
Giản đồ chế tạo vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) bằng phương
28
pháp sol- gel.
8
Hình 2.5.1
Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể
29
Hình 2.5.2
Hình ảnh của một nhiễu xạ tia X
31
Hình 2.6.1
Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi
33
điện tử quét.
Hình 2.7.2
Sơ đồ cấu tạo của hệ đo từ kế mẫu rung
34
Hình 3.1.1.1
Nhiễu xạ X-ray của mẫu La2NiO4 với độ pH khác nhau.
35
Hình 3.1.1.2
Nhiễu xạ X-ray của mẫu La2NiO4 với nhiệt độ nung khác nhau
36
Hình 3.1.1.3
Ảnh SEM của mẫu La2NiO4.
37
Hình 3.1.2.1
Nhiễu xạ Xray của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo
38
bằng phương pháp sol- gel với giá trị x khác nhau.
Hình 3.1.2.2
Giản đồ Xray của hệ vật liệu (La2NiO4)1-x(BaTiO3) chế tạo bằng
38
phương pháp nghiền trộn với giá trị x khác nhau.
Hình 3.1.2.3
Ảnh SEM và giản đồ EXD của mẫu D1.
39
Hình 3.1.2.4
Ảnh SEM và giản đồ của EDX của mẫu D2.
40
Hình 3.1.2.5
Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu D3.
41
Hình 3.1.2.6
Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu R2.
41
Hình 3.1..2.7
Ảnh SEM và giản đồ EDX của mẫu R3.
42
Hình 3.1.2.8
Ảnh TEM của mẫu D1,D2,D3.
43
Hình 3.2.1
Sự phụ thuộc của điện trở suất mẫu R5,R6, R7 vào nhiệt độ.
44
Hình 3.2.2
Sự phụ thuộc của ln theo 1/T của mẫu R5, R6, R7
45
Hình 3.3.1
Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của mẫu V5 vào nhiệt độ
45
Hình 3.3.2
Sự phụ thuộc của hằng số điện môi mẫu R5, R6, R7 vào nhiệt độ
47
Hình 3.4.1
Sự phụ thuộc của hằng số điện môi mẫu V6,D1, D2, D3 vào nhiệt độ
47
9
MỞ ĐẦU
Trong nhiều thế kỷ qua, khoa học công nghệ đang tác động toàn diện đến mọi
nền kinh tế, mọi chế độ xã hội trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ đƣợc xem là yếu tố
quan trọng nhất, quyết định trực tiếp đến sự tăng năng suất, hiệu quả, chất lƣợng sản
phẩm và thúc đẩy sự tăng trƣởng kinh tế. Trong các hƣớng công nghệ thì công nghệ
vật liệu mới là một trong những hƣớng công nghệ cao đƣợc ƣu tiên hàng đầu.
Sự phát hiện các chất liệu mới cho các ứng dụng công nghệ đã mở ra nhiều
cánh cửa cho sự tiến bộ vƣợt bậc trong thế kỷ 20. Trong đó các vật liệu mới có từ
tính đặc biệt đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử đã tạo ra một cuộc cách
mạng về công nghệ thông tin. Ngày càng có nhiều những phát minh và sự tiến bộ của
khoa học đƣợc công bố, từ những tài liệu đó các tính chất quan trọng của nhiều loại
vật liệu mới đã đƣợc định hƣớng để ứng dụng vào những mục đích thực tế.
Phƣơng pháp thực nghiệm có thể đƣa chúng ta đến một mục đích lớn hơn hiểu
rõ một số tính chất sẵn có của chất vật liệu, đó là việc cải tiến vật liệu để có đƣợc các
đặc tính vƣợt trội phục vụ cho ứng dụng mang đến tính cách mạng trong sự thúc đẩy
sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ.
Một vấn đề mà các nhà Vật lý thực nghiệm có nhiều hứng thú đó là việc tìm
hiểu sự thay đổi các đặc tính của vật liệu dựa vào các thay đồi về thành phần, cấu
trúc và các điều kiện công nghệ chế tạo….
Vật liệu đơn pha sắt điện và đơn pha sắt từ đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của
khoa học – công nghệ và đã đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển của
xã hội loài ngƣời trong thế kỷ XX. Tuy nhiên, điện tử học kinh điển đã thể hiện một
số mặt hạn chế, bất chấp đang đứng trƣớc những thách thức lớn cả về mặt nguyên lý
vật lý và chi phí kinh tế để sản xuất linh kiện. Trong những năm gần đây, nhiều hiện
tƣợng vật lý mới trong các các hệ vật liệu điện, từ có đặc trƣng kích thƣớc giới hạn
đã mở ra khả năng phát triển hàng loạt các linh kiện điển tử có tính mới về căn bản.
Tƣơng tác điện từ phức tạp và thách thức hơn khi trong vật liệu đa tính sắt
(multiferroics) đồng thời tồn tại phân cực điện và phân cực từ, nghĩa là vật liệu đồng
biểu hiện cả tính chất sắt từ và tính chất sắt điện. Sẽ có nhiều thiết bị tổ hợp ứng
dụng những hiệu ứng lý thú của vật liệu multiferroics nhƣ: nguyên tố nhớ nhiều trạng
10
thái, thiết bị cộng hƣởng sắt từ điều khiển bởi điện trƣờng, bộ chuyển đổi module áp
điện có tính chất từ. Vật liệu multiferroics trở thành đối tƣợng quan tâm thu hút
không chỉ vì tính phức tạp và lý thú về bản chất vật lý của chúng mà còn thu hút vì
khả năng thu nhỏ linh kiện, tăng mật độ linh kiện, tăng tốc hoạt động và mở ra khả
năng chế tạo các linh kiện tổ hợp nhiều chức năng trên cùng một chip.
Vì những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng to lớn này, vật liệu
multiferroics ngày càng đƣợc quan tâm và nghiên cứu một cách mạnh mẽ. Chính vì,
vậy tôi chọn đề tài“ Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu La2NiO4” làm đề tài
cho luận văn với mong muốn đƣợc hiểu biết thêm về loại vật liệu mới này.
11
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Văn Đăng (2013), Nghiên cứu hiệu ứng điện – từ trên một số vật liệu
multiferroics, Đề tài cấp Đại học, Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên.
2. Nguyễn Ngọc Đỉnh (2011), Chế tạo nghiên cứu một số tính chất của perovskite
có hằng số điện môi lớn và khả năng ứng dụng, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa
học Tự nhiên, ĐHQG HN.
3. Vũ Tùng Lâm (2011), Chế tạo và nghiên cứu vật liệu multiferroics LaFe3-PZR,
Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN.
4. Trần Đăng Thành (2009), Chế tạo vật liệu có hằng số điện môi khổng lồ La2-xSrxNiO4+ và nghiên cứu tính chất của chúng, Luận án tiến sỹ khoa học vật liệu,
Viện khoa học vật liệu, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam.
5. Lƣơng Văn Việt (2012), Chế tạo, nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu
perovskitec có hệ số nhiệt điện trở dương, Luận án tiến sỹ vật lý, Đại học Khoa học
Tự nhiên, ĐHQGHN.
6. Lƣu Hoàng Anh Thƣ (2014), Chế tạo và nghiên cứu vật liệu BiFeO3 pha tạp ion
đất hiếm Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
Tiếng Anh
7. Nozaki K.(1995), “BaTiO3-based positive tempeerature coefficient of resistivity
ceramics with low resistivities” , J. Master. Sci., 30. 3395.
8. Mahajan R.P., Patankar K.K(2000), “Electrical properties and magnetoelectric
effect in MnFe2O4 and BaTiO3”, Indian Journal of Engineering and Material sciences
V.7, p.203-21.
9. Kuwabara M.(1999), “Varistor characteristics in PTCR-type (Ba, Sr)TiO3
ceramics prepared by single- step firing in air”, J. Mater. Sci., 34. 2635.
10. ejuca, Luis G (1993), Properties and applications of perovskite-type oxides,
New York: Dekker, 382, ISBN 0-8247-8786-2.
12
11. John Crangle (1991). Solid State Magnetism. Edward Arnold Publishers. ISBN
0-340-54552-6.
12. Buschow K.H.J, de Boer F.R. (2004). Physics of Magnetism and
Magnetic Materials. Kluwer Academic / Plenum Publishers. ISBN 0-30648408-0
13.
R. Ramesh, N.A Spaldin (2007). Nature Materials 6: 21.W. Eerenstein,
N.D. Mathur, J.F. Scott (2006). Nature 442: 759., N.A. Spaldin, M. Fiebig
(2005). Science 309: 5391. M. Fiebig (2005). Journal of Physics D -Applied
Physics 38: R123.
14. T. Adachi, N. Wakiya, N. Sakamoto, O. Sakurai, K. Shinozaki, H. Suzuki,
“ Spray pyrolysis of Fe3O4 – BaTiO3 composite particles” J. Am. Ceram. Soc,
92 [S1], S177- S180 (2009)
15. B.D Stojanvic, “Mechanochemical synthesis of barium titanat”, journal of
the European Ceramic Society. Vol. 25, 1985-1988.
16.
D.C. Jiles (1990). Trong 1st. Introduction to Magnetism and Magnetic
Materials. Springer; 1 edition (December 31, 1990). ISBN 10 0412386402.
17.
Derek Craik (1995). Magnetism: Principles and Applications. John
Wiley & Sons. ISBN 0-471-92959-X.
18.
Mahajan R.P., Patankar K.K(2000), “Electrical properties and
magnetoelectric effect in MnFe2O4 and BaTiO3”, Indian Journal of Engineering and
Material sciences V.7, p.203-21.
20. Coey, Viret et al (2002), “Magnetic Polarons, Charge Ordering and
Stripes”, Note in Internet, 24-10- 2002.
21. Kuwabara M.(1999), “Varistor characteristics in PTCR-type (Ba, Sr)TiO3
ceramics prepared by single- step firing in air”, J. Mater. Sci., 34 (1999) 2635.
13
