Tính chất điện của hệ vật liệu LaFe1-xCoxTiO3

Perovskite LaFe1-xCoxTiO3 được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Bằng cách nâng nhiệt độ nung mẫu lên đến 1290 độ C, chúng tôi đã thu được hệ mẫu đơn pha có thể tích ô cơ sở tăng nhẹ theo nồng độ pha tạp Ti và Co. Các mẫu thể hiện tính bán dẫn và mẫu La(Fe0.3Co0.2Ti0.5)O3 có độ dẫn cao nhất.

Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viờn năm học 2016-2017

Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, thỏng 12/2016: tr 402-406

CAO THỊ THÙY LINH - HOÀNG HƯƠNG QUỲNH

Khoa Vật lý

ứng pha rắn Bằng cỏch nõng nhiệt độ nung mẫu lờn đến 1290 0

C, chỳng tụi

đó thu được hệ mẫu đơn pha cú thể tớch ụ cơ sở tăng nhẹ theo nồng độ pha

tạp Ti và Co Cỏc mẫu thể hiện tớnh bỏn dẫn và mẫu La(Fe 0.3 Co 0.2 Ti 0.5 )O 3 cú

độ dẫn cao nhất

Từ khúa: Tớnh chất điện, độ dẫn

1 MỞ ĐẦU

Trong cỏc nghiờn cứu trước đõy [1], khi pha Ti vào hợp chất LaFeO3, mặc dự tạo ra hợp chất cú hệ số Seebeck S dương và cú giỏ trị cao (khoảng mV/K) nhưng độ dẫn (σ) cú giỏ trị nhỏ Vấn đề đặt ra là phải làm sao tăng độ dẫn σ Trong đề tài này, chỳng tụi đó pha tạp thờm Co, kết quả thu được là độ dẫn σ đó tăng và mẫu La(Fe0.4Co0.2Ti0,5)O3 cú giỏ trị độ dẫn σ cao nhất Độ dẫn tăng theo nồng độ pha tạp Co

2 THỰC NGHIỆM

Mẫu LaFe1-xCoxTiO 3 được chế tạo bằng

phương phỏp phản ứng pha rắn, cỏc oxit

La2O3(99.5%), Fe2O3(99%), Co2O3(99%),

TiO2(99%), được phối liệu theo cụng thức

danh định, cỏc hỗn hợp được nghiền trộn

lần 1 trong 12 giờ với nước cất, hỗn hợp

được ộp thành cỏc viờn hỡnh trụ

( 10mm h, 10mm) và tiến hành nung

sơ bộ ở nhiệt độ 9000

C trong khụng khớ trong 8 giờ Trong quỏ trỡnh nung, cỏc

phản ứng giữa cỏc nguyờn liệu trong phối

liệu xảy ra ở nhiệt độ cao hỡnh thành dung

dịch rắn Sau khi nung sơ bộ, mẫu được

nghiền khụ và ướt trong 5 giờ Vật liệu

sau khi nghiền lần hai được trộn đều với

2% trọng lượng chất kết dớnh là dung dịch

PVA Sau đú mẫu được ộp thành sản phẩm khối kớch thước 12mm4mm3mm và đưa vào nung thiờu kết ở 12900C trong 10 giờ với tốc độ gia nhiệt 30C/phỳt Sau đú mẫu được nguội theo lũ

Phõn tớch cấu trỳc bằng phương phỏp nhiễu xạ tia X với thiết bị nhiễu xạ D5005-Bruker-Germany Điện trở suất (ρ) được đo trong dải nhiệt độ từ nhiệt độ phũng đến 1000oC

 (độ)

(5) (4) (3) (2) (1)

242 240 202 220 121 101

Hỡnh 1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của cỏc mẫu

nung thiờu kết ở nhiệt độ 1290 0

C: LaFeO3 (1) , La(Fe0,6Ti0,4)O3 (2) , La(Fe0,5Ti0,5)O3 (3), La(Fe0,4Co0,1Ti0,5)O3 (4) and La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3 (5)

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu LaFe1-xCoxTiO 3 Các mẫu đều có cấu trúc orthorhombic thuộc nhóm không gian Pnma Từ hình 1 ta có thể thấy, giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu 2 sắc nét, đỉnh nhọn rõ, chứng tỏ mẫu đơn pha

Bảng 1 Hằng số mạng, thể tích ô cơ sở của các mẫu được nung thiêu kết ở nhiệt độ 1290 0 C

Từ bảng 1, thể tích ô cơ sở của các mẫu tăng khi pha tạp Ti, Co thay thế ion Fe+3

ở vị trí

B Đó là do bán kính của ion Ti+4

(r=0,650 Å), Co+3(r=0,648 Å) lớn hơn so với bán kính ion Fe+3(r = 0,645 Å) Độ lớn hạt tăng khi tăng nhiệt độ nung thiêu kết Sự méo mạng tinh thể khi pha tạp Ti, Co vào LaFeO3 là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến tích chất điện của các mẫu nghiên cứu

(a)

(b)

(c)

Hình 2 là ảnh SEM của các mẫu pha tạp Ti, Co được nung ở nhiệt độ 12900C Nhận thấy rằng, các hạt có kính thước tương đối đồng đều và kích thước hạt của các mẫu pha tạp nhỏ hơn so với kích thước hạt của mẫu LaFeO3 thuần

Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất (ρ) của các mẫu LaFe1-xCoxTiO 3 nung thiêu kết

ở nhiệt độ 12900C được biểu diễn lần lượt trên các hình 3 Tất cả các mẫu chế tạo biểu hiện tính dẫn bán dẫn, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng Kết quả đo điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ của LaFeO3 được trình bày trên hình 3a Chúng ta biết rằng, vật liệu perovskite LaFeO3 là chất điện môi Tuy nhiên mẫu LaFeO3 chế tạo lại có tính dẫn như bán dẫn đó là do trong quá trình nung thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí và được giữ trong thời gian dài dẫn tới sự thiếu hụt Ôxy tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị Fe+3

- Fe+2 và mẫu trở thành dẫn điện với cơ chế “hoping” Ion Ti trong các hợp chất đều tồn tại trạng thái Ti+4

làm tăng tính điện môi Ion Co có khả năng tồn tại hỗn

LaFeO 3 5,570 5,532 7,890 90o 90o 90o 243,1 La(Fe 0,6 Ti 0,4 )O 3 5,596 5,531 7,892 90o 90o 90o 244,3 La(Fe 0,5 Ti 0,5 )O 3 5,664 5,532 7,892 90o 90o 90o 247,3 La(Fe 0,4 Co 0,1 Ti 0,5 )O 3 5,672 5,532 7,896 90o 90o 90o 247,8 La(Fe 0,3 Co 0,2 Ti 0,5 )O 3 5,683 5,534 7,910 90o 90o 90o 248,8

Hình 2 Ảnh SEM của hệ mẫu nung thiêu kết ở nhiệt độ 1290 0 C:

(a) LaFeO3, La(Fe0,6Ti0,4)O3(b) và La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3 (c)

(a)

hợp hóa trị Co+2

-Co+3, khi mẫu được nung ở nhiệt độ cao và làm nguội trong không khí Như vậy, cùng với sự tồn tại cặp Fe+3

-Fe+2, nay có thêm cặp Co+3

-Co+2 về nguyên tắc sẽ làm tăng độ dẫn điện của mẫu [2-8]

150 200 250 300 350 400 450 500

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

1000/T

-1 0 1 2 3

400 800

0 1200

T( 0 C)

-3 Oh

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 -3

-2 -1 0 1 2

1000/T

600 500 400 300 200

2000

1500

1000

500

0

T( 0

C)

-3 Oh

-3 -2 -1 0

1000/T

600 500 400 300 200

200

400

600

800

1000

1200

T( 0 C)

-3 Oh

-3 -2 -1 0

1000/T

1800

1200

600

0

T( 0 C)

-3 Oh

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 -3

-2 -1 0 1 2

1000/T

700 600 500 400 300 200

1000

750

500

0 250

T( 0 C)

-3 Oh

Hình 3 Đồ thị ( )T của hệ mẫu LaFeO3(a), La(Fe0,6Ti0,4)O3(b), La(Fe0,5Ti0,5)O3(c), La(Fe0,4Co0,1Ti0,5)O3(d) La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3(e) nung thiêu kết ở nhiệt độ 1290 0

C.

Hình 4 thể hiện sự phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu LaFe1-xCoxTiO 3 nung ở nhiệt độ

12900C Nhận thấy các đường phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu là khá tuyến tính, phù hợp với mô hình nhảy của polaron nhỏ [9] :

Trong đó A là hằng số phụ thuộc T, T là nhiệt độ tuyệt đối, k là hằng số Boltzmann, Ea

là năng lượng kích hoạt Trong các nghiên cứu trước đây [1], khi pha Ti vào hợp chất LaFeO3, mặc dù tạo ra hợp chất có hệ số Seebeck S dương và có giá trị cao (khoảng mV/K) nhưng độ dẫn (σ) có giá trị nhỏ Vấn đề đặt ra là phải làm sao tăng độ dẫn σ Trong đề tài này, chúng tôi đã pha tạp thêm Co, kết quả thu được là độ dẫn σ đã tăng (hình 4) và mẫu La(Fe0.4Co0.2Ti0,5)O3 có giá trị độ dẫn σ cao nhất (hình 4) Độ dẫn tăng theo nồng độ pha tạp Co

-3.0 -1.5 0.0 1.5

1000/T

La(Fe

0,4 Co

0,2 Ti

0,5 )O

3

4 KẾT LUẬN

Được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn với nhiệt độ nung thiêu kết cao

1290oC, hệ mẫu LaFe1-xCoxTiO 3 đơn pha và có thể tích ô cơ sở tăng theo nồng độ pha

tạp Ti, Co Để cải thiện tính dẫn của hệ mẫu, ion Co được pha tạp với nồng độ x = 0.1,

0.2, kết quả tính dẫn tăng và mẫu La(Fe0,4Co0,2Ti0,5)O3 cho tính dẫn cao nhất

Hình 4 Sự phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu La(Fe 0,6Ti0,4)O3, La(Fe0,2Co0,1Ti0,6)O3 và

La(Fe0,4Co0,2Ti0,5)O3 nung thiêu kết ở nhiệt độ 1290 0 C

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Dang Le Minh, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thuy (2008) The magnetic and

electric properties of the perovskite compound of LaFeO 3 doped Sr, Ti, Proceeding of

the eleventh Vietnamese-German Seminar on Physcis and Engineering, Nha Trang

city from 31 March to 05 April

[2] Chao Wang Hong, Lei Wang Chun, Liang Zhang Jia, Lei Zhao Ming, Liu Jian Su

Wen Bin, Yin Na, Mei Liang Mo (2009) Cu Doping Effect on Electrical Resistivity and Seebeck Coefficient of Perovskite-Type LaFeO 3 Ceramics, Chin Phys Lett Vol

26 No 10 107301

[3] Das Soma, T.K Dey (2006) Temperature dependence of the thermoelectric power of

La 1-x K x MnO 3 compounds in light of a two phase model, Physica B, 381, PP 280–288

[4] Dagotto Elibio, Hotta Takashi, Moreo Adriana (2001) Collosal Magnetoresistance

material: the key role of phase separation, Physics reports 334, PP 18-93

[5] Giani A., Al Bayaz A., Foucaran A., Pascal-Delannoy F., Boyer A (2002)

Elaboration of Bi 2 Se 3 by metalorganic chemical vapour deposition, Journal of Crystal

Growth, 236, PP 217–220

[6] Iwasaki Kouta, Tsuyoshi Ito, Masahito Yoshino, Tsuneo Matsui, Takanori Nagasaki,

Yuji Arita (2007) Power factor of La 1−x Sr x FeO 3 and LaFe 1−y Ni y O 3, Journal of Alloys and Compounds 430, PP 297–301

[7] J.Y Yang, T Aizawa, A Yamamoto, T Ohta (2000) Thermoelectric properties of

n-type (Bi 2 Se 3 ) x (Bi 2 Te 3 ) 1-x prepared by bulk mechanical alloying and hot pressing,

Journal of Alloys and Compounds 312, PP 326–330

[8] Y Park C and Jacohson A J, J Electrochem (2005) Soc 152, PP 165

[9] Muhammet Toprak, Yu Zhang, Mamoun Muhammed (2003) Chemical alloying and

characterization of nanocrystalline bismuth telluride, Materials Letters 4460, PP 1 – 7

TRẦN DUY THANH

LÊ VĨNH THỊNH

CAO THỊ THÙY LINH

HOÀNG HƯƠNG QUỲNH

SV lớp VLTT 4, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế

ĐT: 0936 147 868, Email: tranbom202@gmail.com