Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM (1-x)PMN - xPT" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 58, 2010 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM 1-xPMN - xPT Võ Duy Dần, Nguyễn Văn Sáu Trường

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 58, 2010

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM (1-x)PMN - xPT

Võ Duy Dần, Nguyễn Văn Sáu

Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

Nguyễn Duy Anh Tuấn Trường Cao đẳng Sư phạm Đồng Nai

TÓM TẮT

Tổng hợp và nghiên cứu vật liệu gốm compozit từ vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 (PMN) và vật liệu sắt điện thông thường điển hình PbTiO 3 (PT) trong những năm gần đây đã được các nhà khoa học vật liệu thế giới chú trọng Bài này trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng cấu trúc, vi cấu trúc đến tính chất điện, điện môi của hệ gốm (1-x)PMN - xPT (với x = 20; 25; 30 %wt) Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu gốm có mật độ khá cao (D = 7,0 -7,25 g/cm 3 ), độ dẫn điện rất bé (σ = 0,69.10 -18 – 0,22.10 -18 (Ω -1 cm)), hằng số điện môi ở nhiệt độ phòng khá cao (ε/ε 0 = 1145 – 1420), tổn hao điện môi tương đối nhỏ (tgδ = 0,08 – 0,03) Ảnh hưởng nồng độ pha pyrochlor đến tính chất điện, điện môi của gốm cũng được bàn luận

1 Mở đầu

Vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe (relaxor) PMN đầu tiên được Smolenskii và Agranovskaya tổng hợp thành công vào năm 1958 [2]

PMN được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau do các tính chất dị thường của nó Điều thú vị nhất của PMN là hệ số tổn hao điện môi rất bé (không tồn tại đường

(~30.000) trong vùng nhiệt độ gần nhiệt độ phòng [1-3] Về mặt lịch sử PMN được

dụng thực tế Tuy nhiên, chúng còn một số nhược điểm chưa khắc phục được Vật liệu gốm compozit tổng hợp từ hai loại vật liệu này trong những năm gần đây đã được các nhà khoa học vật liệu thế giới chú trọng do chúng có các tính chất nổi trội khắc phục được các hạn chế của PT, PZT và PMN riêng lẻ [2,7] Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng cấu trúc, vi cấu trúc đến tính chất điện, điện môi

2 Thực nghiệm, kết quả và thảo luận

2.1 Chế tạo gốm

Vật liệu gốm được chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp phương pháp

khiết là 99% PMN được chế tạo theo phương pháp columbit nhằm tạo pha cấu trúc perovskite và giảm pha pyrochlore bằng cách nung hai giai đoạn [2,6] như sau: Sau khi

0 1000

MgO Nb O+ →MgNb O

(1) 0

700 900

MgNb O +PbO→− Pb Mg Nb O

(2)

PT được chế tạo theo công nghệ truyền thống [5] với các thông số công nghệ tương tự như trên

Hai loại bột PMN và PT được cân theo tỷ lệ mong muốn thành ba loại mẫu S1, S2, S3 , thêm lượng PbO dư 10%, được nghiền trộn lần 2 trong 16 giờ, ép áp lực cao tại

phẳng, các mẫu được phủ điện cực Ag và phân cực dưới điện trường một chiều

2.2 Mật độ gốm

7.10 7.15 7.20 7.25

2 )

Mật độ gốm xác định theo phương pháp Acsimet Kết quả cho thấy ở bảng 2.1

và hình 2.1

Bảng 2.1 Mật độ gốm trung bình D của các mẫu PMN-PT

Từ bảng 2.1 và hình 2.1, ta thấy rằng mật độ gốm khá cao và giảm khi nồng độ

PT tăng Đến gần 3% wt PT, mật độ gốm có xu hướng nằm ngang Ở những nồng độ PT cao hơn trong bài này không đề cập tới Điều đó cho thấy rằng, dung dịch rắn hỗn hợp PMN-PT đã thiêu kết tương đối tốt, các thông số công nghệ đã sử dụng là tương đối hợp

Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - S1 0.8PMN 0.2PT

File: VienHue S1-PMN08PT02.raw - Start: 19.866 ° - End: 79.896 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Anode: Cu - WL1: 1.5406 - Creation: 16/05/2008 12:46:28 PM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

2-Theta - Scale

(a)

(b)

Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - S3 0.7PMN 0.3PT

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - S2 0.75PMN 0.25PT

File: Vi enHue S2-PM N075PT025.raw - Start: 19.666 ° - End: 79.740 ° - Step: 0.030 ° - Step ti me: 0.3 s - Anode: C u - WL1: 1.5406 - Creation: 16/05/2008 1:13:09 PM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2-Theta - Scale

110

111

210

211

220

300 310

110

310 311

222 321

2.3 Đánh giá chất lượng mẫu

Để đánh giá chất lượng mẫu, chúng tôi căn cứ vào phân tích cấu trúc và vi cấu trúc của mẫu qua các giản đồ nhiễu xạ tia X và ảnh SEM

2.3.1 Cấu trúc

các thành phần không xác nhận cho pha perovskite thuần túy

thấy rằng pha pyrochlore chưa được loại trừ hoàn toàn, thậm chí còn có nồng độ phần trăm khá cao (sẽ thảo luận ảnh hưởng nồng độ đến phần trăm lượng pha pyrochlore ở phần sau)

2.3.2 Vi cấu trúc

Trên hình 2.3 là ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) chụp được từ mặt gãy của mẫu

Hình 2.3 Ảnh vi cấu trúc của mẫu S 1 (a), S 2 (b) và S 3 (c)

đều tồn tại các lỗ xốp khá lớn và pha pyrochlore (biểu hiện qua các khối chóp trong ảnh SEM)

2.4 Ảnh hưởng của cấu trúc, vi cấu trúc và nồng độ pha pyrochlor đến tính chất điện, điện môi của gốm PMN-PT

2.4.1 Tính chất điện của gốm

Bằng cách xác định điện dung C của mẫu nhờ cầu đo RLC HIOKI 3532 tại tần

số 1 kHz ở nhiệt độ phòng Xác định các giá trị phần thực, phần ảo của hằng số điện môi và độ dẫn điện σ đã được tính toán [8] (giá trị trung bình cho thấy ở bảng 2.2)

Bảng 2.2 Các giá trị trung bình của độ dẫn điện σ của các mẫu gốm tại nhiệt độ phòng

0.2 0.4 0.6 0.8

Thµnh phÇn xPT

B

của các mẫu gốm tại nhiệt độ phòng

Từ hình 2.4 ta thấy, độ dẫn điện σ của các mẫu gốm là rất nhỏ, điều đó chứng tỏ rằng vật liệu PMN-PT là điện môi tốt, độ dẫn rất thấp, điện trở cao Giá trị σ giảm khi thành phần PT tăng Như vậy, dù còn tồn tại pha pyrochlor lớn, nhưng không ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của vật liệu (độ dẫn có cùng bậc độ lớn), vật liệu đều là điện môi tốt

2.4.2 Tính chất điện môi của gốm

2.3 và hình 2.5, 2.6

15 20 25 30 35 1100

1200 1300 1400 1500

Thµnh phÇn x PT

của các mẫu gốm tại nhiệt độ phòng

tăng Như đã biết, vật liệu nền PMN là điện môi có hằng số điện môi rất lớn, khi pha thêm thành phần PT có hằng số điện môi nhỏ hơn thì sẽ cho hổn hợp PMN-PT có giá trị hằng số điện môi thấp hơn và giảm dần khi nồng độ PT càng cao

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Thµnh phÇn xPT

Tổn hao điện môi tgδ của vật liệu là khá nhỏ ở tất cả các nồng độ PT được khảo sát Theo chúng tôi đây chưa phải là quy luật vì nếu tiếp tục tăng mạnh nồng độ PT, cho đến khi vật liệu dần chuyển từ sắt điện relaxor sang sắt điện thường chắc chắn tổn hao

sẽ tăng lên như đã giới thiệu về đặc tính của PMN trong phần mở đầu

Sự phụ thuộc của phần thực độ thẩm điện mụi ε’vào nhiệt độ của cỏc mẫu gốm

đó được đo trờn hệ đo tự hoỏ HIOKI 3532, tại tần số 1 kHz cho thấy ở hỡnh 2.7

1000 2000 3000 4000

1000 2000 3000 4000

1000 2000 3000 4000

Nhiệt độ 0C

s2

S1

S3

mẫu gốm tại tần số 1 kHz

Từ hỡnh 2.7, ta thấy rằng sự phụ thuộc của ε’ vào nhiệt độ của cỏc mẫu cú dạng

của PT

Điều này dễ dàng hiểu được, vật liệu nền PMN là sắt điện chuyển pha nhũe cú

100 150

TC

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên cho thấy các vật liệu gốm đã chế tạo đều có tính chất điện tốt, hằng số điện môi cao, tổng hao điện môi khá nhỏ

và pha giả lập phương còn tồn tại pha pyrochlor với nồng độ phần trăm khá lớn (bảng 2.5) Nồng độ phần trăm pha pyrochlor Py được tính từ các cường độ cao nhất đỉnh đặc

I(Py)/ [ I (Py) + I (Pp) ] [7] của ba loại gốm PMN- PT cho thấy ở bảng 2.5 Ta thấy rằng, việc tồn tại pha pyrochlor với nồng độ khá lớn trong cấu trúc vật liệu ảnh hưởng rất lớn

nhiều và tgδ nhỏ hơn

Bảng 2.5 Số liệu về ảnh hưởng nồng độ phần trăm pha pyrochlor % Py đến tính chất

điện, điện môi của hệ PMN-PT

3 Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận sau:

thể hiện qua các giản đồ nhiễu xạ và ảnh SEM Vẫn còn tồn tại pha pyrochlore và có ảnh hưởng lớn đến số tính chất điện môi và không ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của gốm

c Tại nhiệt độ phòng, hằng số điện môi đạt được khá lớn và nằm trong khoảng (1145→1420), khi nồng độ PT tăng hằng số điện môi của hệ giảm

d Ở các nhiệt độ khác nhau, sự phụ thuộc hằng số điện môi theo nhiệt độ có dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe Khi tăng nồng độ PT đặc trưng chuyển pha nhòe của hệ giảm, đỉnh của ε(T) càng ngày càng sắt nét, vật liệu càng tiến gần đến vật liệu sắt điện thông thường

g Tổn hao điện môi tgδ nhỏ và giảm từ 0,08 → 0,03 khi nồng độ PT tăng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Chi-Shun Tu, C.-L.Tsai and J.-S.Chen, Orientation dependence and electric-fiel in the relaxor-based ferroelectric crystal (PbMg1/3Nb2/3O3)0,86-(PbTiO3)0,32”, 2002

2 David Michael Fanning Structure property relations in ferroelectric materials, 1995

3 David Michael Fanning Structure property relaxtions in ferroelectric materials, PhD thesis, 2000

4 E.B.Araújo, C.A.Guarany, K.Yukimitu and J.C.S.Moraes, A.C Hermander

Coexistense of monoclinic and tetragonal phase in PMN-PT single crystal”, Brazil

2003

5 F.Cordero, F.Craciun, and P.Verardi Dielectric and Anelastic Relaxation in PMN-PT Relaxors, 2002

6 H.W.King, S.H.Ferguson, D.F.Waechter and S.E.Prasad An X-ray diffraction study of PMN–PT ceramics in the region of the relaxor transition, 2002

7 A Ahamad, George McDonald, S Eswar Parasad, D.F Waechtet and G Blacow

Development of Piezoelectric Ceramic Composites, Cansmart, International Workshop

Smart Materials and Structures, 13-14 October 2005, Toronto, Ontario, Canada

8 Yuhuan Xu FerroelectricMaterials and their applications, North – Holland,

Netherlands, 1991

STUDY OF FABRICATION AND EFFECT OF STRUCTURE,

MICROSTRUCTURE ON THE (1-x) PMN- xPT FERROELECTRIC

CERAMICS

Vo Duy Dan, Nguyen Van Sau College of Sciences, Hue University

Nguyen Duy Anh Tuan, Dong Nai College of Pedagogy

SUMMARY

The synthesis and study of the ferroelectric composite ceramics from the typical PMN relaxor and typical PT normal ferroelectric materials have attracted the great attention of researchers interested in materials science al over the world These ferroelectric composite