Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

Microsoft Word Lu�n V n TÑt NghiÇp Hà V n ¡i 18104901 CHDI 8B 24 03 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HÀ VĂN ĐẠI CẢI TIẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TRUYỀN THỐNG BẰNG ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA Chuyên ngành KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG Luận văn thạc sĩ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HÀ VĂN ĐẠI

CẢI TIẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TRUYỀN THỐNG BẰNG ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng

2 TS Nguyễn Chí Cường - Phản biện 1

3 TS Nguyễn Nhật Nam - Phản biện 2

4 TS Dương Thanh Long - Ủy viên

5 TS Lê Văn Đại - Thư ký

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1985 Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã chuyên ngành: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI:

Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu tổng quan về vật liệu sắt điện, vật liệu TGS, vật liệu nano, ống nano cacbon và các ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử

 Chế tạo hai loại vật liệu nanocomposite trên nền tảng sắt điện TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa Khảo sát cấu trúc và hình thái vật liệu

 Khảo sát tính chất chuyển pha vật liệu và các hiệu ứng điện cực

 Phân tích kết quả, đề xuất định hướng ứng dụng và cải tiến đề tài

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/04/2021

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/03/2022

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Nguyễn Hoài Thương đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô thuộc khoa Điện trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy cho tôi trong thời gian học tập Xin cảm ơn các thầy cô bộ môn đã đọc luận văn và cho tôi những nhận xét quý báu, chỉnh sửa những sai sót của tôi trong bản thảo luận văn

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong sự chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh./

Xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày tháng năm 2022

Học viên thực hiện

Hà Văn Đại

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện – điện tử luôn song hành cùng quá trình khám phá liên tục các vật liệu mới nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thực tiễn Trong bức tranh tổng thể về thành công của các thiết bị công nghệ, vật liệu sắt điện không thể không nhắc đến với các ứng dụng phổ biến trong transistor, máy phát nano, cảm biến, bộ nhớ, tích trữ năng lượng, màn hình tinh thể lỏng, Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến, v.v Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng

bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng,

từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó

Hầu hết các vật liệu sắt điện đã được khám phá từ rất lâu và các ứng dụng của nó trở nên bão hòa Do đó, để tiếp tục mở rộng tiềm năng ứng dụngvà để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của công nghệ, cải tiến các vật liệu sẵn có là một nhiệm

vụ cấp thiết Với công nghệ chế tạo tiên tiến hiện nay, các vật liệu điện – điện tử nói chung và vật liệu sắt điện nói riêng ngày càng trở nên thông minh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại tích hợp nhiều tính năng hơn Để làm được điều này, một phương pháp đơn giản và hiệu quả là kết hợp với một hoặc nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất cải tiến vật liệu sắt điện TGS (một trong những vật liệu quan trọng trong các cảm biến hồng ngoại) bằng cách sử dụng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự kết hợp ống nano cacbon đa vách bị oxi hóa giúp mở rộng đáng kể pha sắt điện, từ

đó mở rộng tiềm năng ứng dụng của vật liệu này Ngoài ra, hiệu ứng điện cực, một trong những hiệu ứng có thể làm giảm khả năng hoạt động của vật liệu trong các thiết bị điện tử tần số thấp cũng được khảo sát

iii

ABSTRACT

The rapid development of electrical/electronic engineering technology is always accompanied by the continuous discovery of new materials to meet the increasing demands from industry In the overall picture of the success of technological devices, ferroelectric materials cannot be underestimated with popular applications

in transistors, nanogenerators, sensors, memory, energy storage, liquid crystal display (LCD), etc

Multi-walled cacbon nanotubes (MWCNT) are well known through outstanding applications in electromagnetic interference shielding, power converters, capacitors, sensors, and more Due to several advantages as high electrical conductivity, high thermo-electrical stability, large specific surface at nanoscale level, low density, as well as the ability to interact with other materials, carbon nanotubes are capable of significantly improving funtions of nanocarbon-containing materials and of devices Most ferroelectrics were discovered a long time ago and therefore the numer of their applications has now been saturated For expanding the application potential to satisfy the requirements of modern technology, the urgent task is to improve the quality of primary materials With current advanced manufacturing technology, the electrical/electronic materials in general and ferroelectric materials in particular have been becoming smarter, more compact in size but integrated with more features To get this achievement, a simple and effective method is to combine with one or more other nanostructured components

In this work, we recommend a well-known ferroelectric of triglycine sulfate (TGS) for improvement by using MWCNT in normal and oxidized forms TGS is one of the most important materials applied in infrared sensors According to the obtained results, the oxidized MWCNT led to the expansion of polar phase in TGS, allowing sensors to operature in higher temperature region Besides, the electrode effects that may reduce the material operation at low frequencies have also been investigated

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Hà Văn Đại

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ 4

1.1 Tổng quan về các vật liệu sắt điện 4

1.1.1 Ứng dụng vật liệu sắt điện TGS trong lĩnh vực điện- điện tử 10

1.1.2 Ứng dụng các loại vật liệu sắt điện khác trong lĩnh vực điện- điện tử 12 1.2 Tổng quan về vật liệu Nano và ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử 16

1.3 Ứng dụng của ống nano cacbon trong lĩnh vực điện-điện tử 21

1.4 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU, CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI VẬT LIỆU 30

2.1 Thiết bị nghiên cứu 30

2.1.1 Thiết bị dùng để chế tạo vật liệu 30

2.1.2 Thiết bị dùng để kiểm tra cấu trúc hình thái vật liệu 32

vi

2.1.3 Thiết bị dùng để đo tính chất điện của vật liệu 33

2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 35

2.3 Cấu trúc, hình thái vật liệu 38

2.4 Kết luận 40

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THÔNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA LÊN SỰ CHUYỂN PHA CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TGS 41

3.1 Giới thiệu 41

3.2 Khảo sát sự chuyển pha của vật liệu nanocomposite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS 42

3.3 Khảo sát vòng điện trễ P-E 45

3.4 Kết luận 49

CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG ĐIỆN CỰC 50

4.1 Đặt vấn đề 50

4.2 Phân tích phổ tần số của kháng trở (biểu đồ Nyquist) 51

4.3 Phân tích phổ tần số của điện dẫn suất 54

4.4 Phân tích phổ tần số của điện môi và hệ số tổn hao 56

4.5 Phân tích phổ tần số của modun điện (electrical modulus) 59

4.6 Kết luận 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

1 Kết luận 62

2 Hướng phát triển 62

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 69

Phụ lục 1: Bài báo khoa học 69

Phụ lục 2: Kết quả số liệu thí nghiệm 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 97

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết lập sự phát triển tinh thể 8

Hình 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hệ số nhiệt điện 9

Hình 1.3 Mạch điện tử của cảm biến hồng ngoại 10

Hình 1.4 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại 10

Hình 1.5 LED phát hồng ngoại 11

Hình 1.6 LED thu hồng ngoại 11

Hình 1.7 Sự phát triển theo thời gian của vật liệu sắt điện 13

Hình 1.8 Ba khái niệm bộ nhớ sắt điện và phản ứng dòng điện tương ứng với thời gian hoặc điện áp: (a) FeRAM, (b) FeFET, và (c) FTJ 13

Hình 1.9 Vật liệu sắt điện trong biểu đồ Venn của các lớp điện môi 15

Hình 1.10 Để đạt được một thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức năng bắt nguồn từ các kết hợp vật liệu nano khác nhau 18

Hình 1.11 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của ống nano 21

Hình 1.12 Sơ đồ của Ống Nano cacbon đơn vách(SWCNT)(A)và ống Nano cacbon đa vách(MWCNT)(B) thể hiện kích thước chiều dài, đường kính và khoảng cách giữa các lớp trong ống Nano cacbon đa vách 22

Hình 1.13 Ống nano cacbon đa vách 23

Hình 1.14 Các trạng thái zigzag của ống nano cacbon 24

Hình 1.15 Cấu trúc vi mô của vật liệu tổng hợp nano CNT và graphene, cho thấy chất độn cacbon (đường liền nét màu đen) trong môi trường hiệu quả và ba đường dẫn màu (một đường dọc và hai đường ngang, đường đứt nét màu đỏ) 25

Hình 1.16 Hình ảnh kính hiển vi đại diện (A) cho thấy mạng MWCNT được đo bằng một trong các vị trí khác nhau và (B) đồ thị I-V chuẩn hóa tương ứng cho mỗi kim loại 27

Hình 1.17 Hệ thống vật liệu ống Nano cacbon cho các ứng dụng điện tử 28

Hình 2.1 Máy sấy từ gia nhiệt 30

Hình 2.2 Máy phát siêu âm 31

Hình 2.3 Hệ thống đo tính chất điện vật liệu Solartron cấu thành từ modun chính Solartron SI 1260 (1) và modun mở rộng Solartron 1296 (2) được đặt tại phòng nghiên cứu thực nghiệm, ĐH Tổng hợp quốc gia Voronezh, Liên Bang Nga 34

Hình 2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite OMWCNT/TGS 37

Hình 2.5 Ảnh chụp kích thước nano dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) đối với nanocomposite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS 38

viii

Hình 2.6 Phổ hồng ngoại của các thành phần vật liệu (TGS, MWCNT, OMWCNT)

và MWCNT/TGS, OMWCNT/TGS được chế tạo ở trạng thái sấy khô và ẩm 39Hình 3.1 Minh họa về sự chuyển pha và pha sắt điện 41Hình 3.2 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi (a) và hệ số tổn hao (b) đối với các

mẫu MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS trong điều kiện độ ẩm tương đối bằng 0 Kết quả của TGS tinh khiết cũng được đưa vào để so sánh 43Hình 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm lên sự chuyển pha của

MWCNT+TGS(a,b_ hằng số điện môi) và OMWCNT+TGS (c,d_hệ số tổn hao) ở các khoảng thời gian lưu trữ khác nhau 44Hình 3.4 Mô phỏng cấu trúc của vật liệu OMWCNT/TGS (a) và tương tác điện

giữa TGS và nước (b) 45Hình 3.5 Đường cong điện trễ đặc trưng của TGS tinh khiết ở các khoảng cách nhiệt

độ khác nhau so với điểm chuyển pha 46Hình 3.6 Đường cong điện trễ của MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS tại vị trí cách

điểm chuyển pha 15 oC 47Hình 3.7 Đường cong từ trễ của MWCNT/TGS (a) và OMWCNT/TGS (b) ở các

khoảng cách nhiệt độ khác nhau so với điểm chuyển pha 48Hình 3.8 Ảnh hưởng của độ ẩm lên đường cong điện trễ của MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS tại vị trí cách điểm chuyển pha 15 oC 48Hình 4.1 Minh họa hiệu ứng điện cực 50Hình 4.2 Biểu đồ Nyquist Zʺ(Zʹ) đối với TGS tinh khiết 51Hình 4.3 Biểu đồ Nyquist Zʺ(Zʹ) đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở nhiệt độ 20 oC (a), 30 oC (b), 40 oC (c), 45 oC (d) và 48

oC (e) 52Hình 4.4 Phổ tần số của kháng trở thực Zʹ (điện trở thuần) và kháng trở ảo Zʺ đối

với composite MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) 53Hình 4.5 Phổ tần số của điện dẫn suất đối với composite MWCNT/TGS (a) và

OMWCNT/TGS (b) ở các nhiệt độ khác nhau 55Hình 4.6 Phổ tần số của điện dẫn suất đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở các nhiệt độ 20 oC (a), 30 oC (b), 40 oC (c), 45oC (d),

48 oC (e) 55Hình 4.7 Phổ tần số của hằng số điện môi thực εʹ và ảo εʺ đối với composite

MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 56Hình 4.8 Phổ tần số hệ số tổn hao đối với composite MWCNT/TGS (a, b) và

OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 58

ix

Hình 4.9 So sánh phổ tần số hệ số tổn hao đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở các nhiệt độ: 20 oC (a),30 oC (b),40 oC (c), 45 oC (d),48

oC (e) 58Hình 4.10 Phổ tần số của modun điện thực Mʹ và ảo Mʹʹ đối với composite

MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 60Hình 4.11 Năng lượng hoạt hóa của composite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS

61

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách các ứng dụng tiềm năng hiện tại theo nhu cầu của ngành trong

lĩnh vực vật liệu kỹ thuật nano 17Bảng 1.2 Điện trở trung bình (kΩ) và tương đối được đo ở 0,1 V ở mỗi vị trí trong

số 5 vị trí cho mỗi kim loại 27Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha của vật liệu vào MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS độ ẩm (RH = 90%) 44Bảng 4.1 Vùng tần số Δf xuất hiện hiệu ứng điện cực 53Bảng 4.2 Hệ số mũ n của phổ tần số εʺ(f) đối với hai composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS 57

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

DTGS AN Deuterated Triglyxin sunphat Crystal

DTGS Deuterated Triglyxin sunphat

ESD Electrostatic discharge

FET Field-Effect Transistor

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor MWCNT Multi Walled Cabon Nano Tubes

MWCNT/TGS Nanocomposite from MWCNT and TGS

OMWCNT Oxide Multi Walled Cabon Nano Tubes

OMWCNT/TGS Nanocomposite from OMWCNT and TGS

RFID Radio Frequency Identification

SEM Scanning electron microscope

SWCNTs Single Walled Cabon Nano Tubes

bộ nhớ [5], tích trữ năng lượng [6,7], màn hình tinh thể lỏng [8], v.v…

Theo thời gian, các vật liệu điện – điện tử nói chung và vật liệu sắt điện nói riêng ngày càng trở nên thông minh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại tích hợp nhiều tính năng hơn Để làm được điều này, một phương pháp đơn giản và hiệu quả

là cải tiến tính chất điện của các vật liệu truyền thống sẵn có nhờ kết hợp với một hoặc nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano

Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến, [9-11] v.v Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có

độ rộng bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện

dễ dàng, từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó

Việc sử dụng ống nano cacbon đa vách kết hợp với nhiều loại vật liệu sắt điện khác nhau không phải là vấn đề mới Hàng loạt nhà nghiên cứu trong các công trình [12-14] đã sử dụng ống nano cacbon đa vách để nâng cao khả năng chuyển hóa năng lượng cơ học thành tín hiệu điện, cải thiện hiệu suất chuyển hóa quang điện, tính chất sắt điện cũng như độ bền nhiệt của hai vật liệu quen thuộc trong điện – điện tử

là BaTiO3 và PZT, từ đó giúp mở rộng tiềm năng ứng dụng những vật liệu này Mặc dù ý tưởng sử dụng ống nano cacbon không còn xa lạ nhưng còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để Thứ nhất, việc sử dụng ống nano cacbon thường được

2

sử dụng dạng thô sau khi tổng hợp để đưa thẳng vào vật liệu, trong khi ống nano cacbon sau khi bị oxy hóa có sự biến đổi về thành phần cấu trúc và sự ảnh hưởng của nó lên tính chất điện của vật liệu sẽ thay đổi Tuy vậy, điều này lại ít được đề cập đến Thứ hai, sự chuyển pha của vật liệu sắt điện – vấn đề quan trọng trong việc ứng dụng sắt điện làm cảm biến nhiệt ít được xem xét khi nghiên cứu ảnh hưởng của ống nano cacbon

Nói cách khác, việc sử dụng ống nano cacbon đa vách ở dạng thông thường hoặc sau khi bị oxi hóa để cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống rất đáng quan tâm và cần phải làm rõ hơn nữa Một mặt để làm rõ bản chất khoa học về mặt cơ bản, mặt khác để mở rộng tiềm năng ứng dụng của các vật liệu sẵn có Xuất phát từ lý do trên, tôi đề xuất chọn đề tài: “Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa”

để nghiên cứu thực hiện luận văn tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích tổng quan về các ứng dụng thực tiễn của vật liệu sắt điện, Triglyxin Sunphat (TGS), vật liệu nano nói chung và ống nano cacbon đa vách nói riêng trong lĩnh việc điện tử, từ đó rút ra những vấn đề cần cải tiến

 Chế tạo thành công hai loại vật liệu sắt điện nanocomposite trên nền tảng TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

 Mở rộng pha sắt điện của vật liệu để cải tiến khả năng ứng dụng TGS trong các cảm biến hồng ngoại

 Kiểm tra các tác nhân ảnh hưởng đến ứng dụng thực tế như độ ẩm, hiệu ứng điện cực ở tần số thấp

 Đề xuất giải pháp phát triển tiếp theo của đề tài

3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

TGS (triglyxin sunphat) – một loại vật liệu sắt điện truyền thống – được chọn để nghiên cứu ảnh hưởng của ống nano cacbon đa vách dạng thông thường (MWCNT)

và dạng oxi hóa (OMWCNT) lên tính chất điện của vật liệu sắt điện

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu sự thay đổi của nhiệt độ chuyển pha, ảnh hưởng của độ ẩm và hiệu ứng điện cực ở tần số thấp của ống nano cacbon đa vách dạng thông thường hoặc dạng oxi hóa

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

 Tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu liên quan để đưa ra được tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

 Dùng phương pháp thực nghiệm để chế tạo và đo đạc các tham số điện của vật liệu

 Sử dụng các mô hình lý thuyết để giải thích kết quả thu được

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Nâng cấp tầm hoạt động của máy dò nhiệt nhờ mở rộng vùng tồn tại của pha sắt điện

 Đưa ra ý tưởng chế tạo mới trong việc sử dụng ống nano cacbon để điều khiển tính chất điện của vật liệu sắt điện nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể trong công nghệ điện – điện tử

 Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu điện – điện tử

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ

1.1 Tổng quan về các vật liệu sắt điện

Sắt điện (Ferroelectrics) là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện – điện tử như RAM máy tính, bộ nhớ, tụ điện, cảm biến, thẻ RFID, ống dẫn sóng, phần tử áp điện, transistors, máy phát nano, v.v Không quá khi nói rằng, công nghệ điện – điện tử không thể phát triển như ngày nay nếu không có sự đóng góp to lớn của dòng vật liệu này Một trong những tính chất đóng vai trò quan trọng giúp cho sắt diện được ứng dụng thực tế là tính phi tuyến của các tham số điện sinh ra do sự phân cực tự phát trong các domen ở điều kiện thông thường Dưới tác dụng của điện

áp xoay chiều, các vách domen có khả năng dịch chuyển Thêm vào đó, dưới tác dụng của nhiệt độ, pha sắt điện (vùng quan trọng trong các ứng dụng thực tế) sẽ chuyển sang pha thuận điện Ngoài ra, tính chất điện của vật liệu sắt điện cũng rất nhạy dưới tác dụng của ánh sáng Từ đó, các tham số điện của vật liệu sẽ dễ dàng điều khiển bằng các tác nhân bên ngoài, giúp nó tương thích dễ dàng hơn với các ứng dụng thực tế

TGS cũng là một trong những vật liệu sắt điện được biết đến rộng rãi trong giới nghiên cứu và úng dụng thực tiễn TGS là vật liệu sắt điện phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất như máy dò hồng ngoại, hình ảnh nhiệt và các ứng dụng cảm biến hồng ngoai khác vì hệ số nhiệt điện cao trong số các vật liệu có sẵn [15] Cảm biến nhiệt điện dựa trên TGS là nhạy cảm đồng đều với các bức xạ trong dải bước song

từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa, và không yêu cầu làm mát cho hoạt động so với máy dò lượng tử, nơi yêu cầu làm mát ở nhiệt độ thấp Các cấu trúc tinh thể của TGS là đơn lẻ bên dưới nhiệt độ 49 độ C Các nghiên cứu phát triển chủ yếu tập trung vào việc hiểu cơ chế tăng trưởng, cải thiện hiệu suất máy dò nhiệt điện và sửa đổi các đặc tính nhiệt điện mong muốn bằng cách pha tạp TGS tinh thể với chất pha tạp vô cơ và hữu cơ

5

Đã có nhiều nghiên cứu về việc cải tiến tính chất điện của vật liệu vật liệu TGS sử dụng các tinh thể nano khác, ví dụ như kết hợp với trên tinh thể nano cellulose Kết quả cho thấy, sự hiện diện của một hoặc hai đỉnh nhiệt độ phụ thuộc của điện môi

đã được phát hiện và sự thay đổi của chúng sang nhiệt độ cao hơn so với TGS từ 49

°C đến 54 °C và 100 °C đã được phát hiện Điều này chứng tỏ về kết quả có liên quan đến sự xuất hiện của các trường phân cực bên trong trong các nanocomposites [16]

Ngoài ra, một nghiên cứu khác sử dụng các hạt nano silicon dioxide tác động lên tính chất điện của vật liệu sắt điện cổ điển TGS ở tần số 102÷107 Hz trong pha sắt điện cũng được thực hiện Một hỗn hợp hỗn hợp ở các tỷ lệ khối lượng thành phần khác nhau đã được tổng hợp Nó đã được chỉ ra rằng tần số tích thoát của TGS giảm

so với các TGS đơn tinh thể và được chuyển xuống tần số thấp hơn với hàm lượng silicon dioxide tăng lên Vùng sắt điện đặc trưng cho các tinh thể đơn lẻ của triglycine sulfate đã được mở rộng Các bất thường thu được được giải thích dựa trên giả định về sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần tổng hợp thông qua các liên kết hydro [17]

Tính chất điện của TGS có thể điều khiển bằng cách đưa nó vào trong mạng lưới ống nano tự nhiên hoặc nhân tạo, hoặc thêm tạp chất trong quá trình tổng hợp vật liệu TGS, ví dụ sự kết hợp vật liệu sắt điện TGS và các chất tương tự với TGS bằng cách bổ sung L, α-alanine và crom vào mạng lưới ống nano Al2O3 và SiO2 Kết quả cho ta thấy rằng, tính chất điện của vật liệu có liên quan đến sự vận chuyển điện tích chủ yếu thông qua các vật liệu sắt điện nhúng trong tổ hợp xốp Cơ chế trên được đề xuất để giải thích cho sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển pha bao gồm sắt điện trong điều kiện kích thước hạn chế ở kích thước nano, được thúc đẩy bởi sự khác biệt giữa các hệ số giãn nở nhiệt của Ttổ hợp xốp và điện môi nhúng [18] Ngoài alanin, các tinh thể TGS pha tạp niken đã được phát triển bằng phương pháp bay hơi tự nhiên Thành phần hóa học của các tinh thể TGS tinh khiết và sự hiện diện của ion niken trong tinh thể TGS pha tạp đã được xác nhận bằng phân tích

6

bằng phổ tán xạ X Các nhóm chức năng của các tinh thể trưởng thành đã được xác định bởi quang phổ hồng ngoại Fourier Transform Các nghiên cứu cấu trúc trên các tinh thể tạo thành được thực hiện bằng phân tích nhiễu xạ tia X Tất cả các tinh thể phát triển được tìm thấy trong cấu trúc monoclinic và các thông số mạng của tinh thể TGS tinh khiết là a = 9.6010 Å, b = 12.5600 Å và c = 5.4500 Å Các thông số mạng tinh thể hơi méo do sự kết hợp của ion niken vào các vị trí mạng của tinh thể TGS [19]

Về mặt ứng dụng ứng dụng trong máy dò hồng ngoại, các tinh thể đơn lẻ của TGS pha tạp với Pt4+ và L-alanin (LATGS/Pt(IV)) được phát triển từ dung dịch nước bằng phương pháp làm mát chậm Hình thái bề mặt, cấu trúc miền và các vòng điện trễ P−E đã được nghiên cứu Khả năng tăng trưởng xúc tác của 〈001〉 kim tự tháp tinh thể trên cơ sở các phức hợp kim loại-glycine được đề xuất Và đã tìm thấy trên cơ sở kết quả thử nghiệm, rằng tinh thể LATGS / Pt (IV) là vật liệu tuyệt vời để xây dựng máy dò hồng ngoại [20]

Bên cạnh những vật liệu kể trên, đồng vị của TGS là DTGS cũng không thể bỏ qua trong các ứng dụng thực tiễn khi kết hợp với các hợp chất khác như polyvinylidene fluoride (PVDF) có hàm lượng DTGS 15%, 20% và 40% (theo khối lượng) Các tham số điện được đo ở nhiệt độ phòng đến 55 °C Độ dẫn ac của vật liệu tổng hợp

ở 1 MHz cho thấy sự phụ thuộc nhiệt độ rất yếu Độ dẫn dc cho 20% và 40% hàm lượng DTGS (theo trọng lượng) tổng hợp cho thấy xuất hiện hiện tượng các hạt dẫn điện được kích hoạt và tuân theo cơ chế hoạt hóa [21]

Xét về ảnh hưởng của các trường khử phân cực và hiệu ứng sàng lọc đối với quá trình chuyển pha trong vật liệu tổng hợp điện môi, nhiệt độ của quá trình chuyển đổi sang trạng thái phân cực trong vật liệu tổng hợp sắt điện, đại diện cho các chất sắt điện cầu được nhúng trong ma trận điện môi, dưới hiệu ứng trường khử cực cũng được nghiên cứu Nhiệt độ này được xác định cả trong trường hợp không có và sự hiện diện của hiệu ứng sàng lọc của trường khử cực và của các điện tích ràng buộc của sự phân cực tự phát ở bề mặt vật liệu Hiệu ứng sàng lọc cho thấy sự thay đổi

7

nhiệt độ chuyển tiếp giảm thông qua việc nhân giá trị với một yếu tố giảm bằng tỷ

lệ chiều dài sàng lọc với bán kính hạt sắt điện [22]

 Phương pháp thử nghiệm:

Tuy nhiên, có một số điểm bất lợi trong tinh thể TGS nguyên chất, đó là xu hướng khử cực của nó, phạm vi hoạt động ở nhiệt độ thấp và độ trễ nhiệt của các biến xác định giá trị của các số liệu nhiệt điện Để tránh những điều này, các chất lưỡng cực pha tạp hữu cơ khác, chẳng hạn như urê và nitro-anilin có khả năng làm giảm sự khử cực [23], và tăng các số liệu nhiệt điện, đó là các thông số vật liệu thiết yếu để xác định việc sử dụng chúng trong các ứng dụng cảm biến hồng ngoại

Các tinh thể đơn của TGS tinh khiết và pha tạp là phát triển bằng phương pháp hạ nhiệt độ tăng trưởng được hiển thị trong Hình 1.1 Khung sắt có rãnh giữ hai máy khuấy và khay chứa hạt giống động cơ Chuyển động qua lại của khay giữ hạt giống được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử, được thiết kế và chế tạo trong phòng thí nghiệm của chúng tôi Sự bay hơi của dung dịch TGS trong ngăn kết tinh dọc theo thanh giữ hạt được giảm thiểu bằng một lớp đệm dầu silicon Dung dịch bão hòa của TGS tinh khiết và pha tạp ở 40 độ C được điều chế trong nước khử tính và hóa chất ở dạng bột kết tinh TGS Kích thước của hạt, chiều của hạt sex được đo và được ghi lại cùng với khối lượng của hạt Bộ giữ hạt và tinh thể hạt đã được làm nóng trước đến 41 độ C trước khi đưa vào tế bào sinh trưởng để tránh sốc nhiệt đối với hạt Các tinh thể hạt được phép hòa tan một chút trước nhiệt độ đã được hạ xuống nhiệt độ bão hòa chính xác và sau đó được giữ trong 24 giờ Một kỹ thuật quang học đã được sử dụng để kiểm tra nhiệt độ bão hòa chính xác bằng cách quan sát phát triển hoặc hòa tan chùm tinh thể hạt