CHẾ tạo và NGHIÊN cứu TÍNH CHẤT vật lý của vật LIỆU batio3

Hiện nay, dựa trên phương pháp phiếm hàm mật độ DFT, các nhàkhoa học đã tính toán năng lượng tổng cộng và tính chất điện tử của vật liệuPerovskite BaTiO3 với độ chính xác cao nhờ đề cập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN TỐNG GIANG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Nghành: Khoa Học Vật Liệu

HÀ NỘI – 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới côgiáo PGS.TS Ngô Thu Hương, bộ môn Vật Lý Chất Rắn, Khoa Vật Lý,Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đãchỉ bảo cho em những ý tưởng khoa học và hướng dẫn em trong suốt thời gian

em thực hiện khóa luận này Em xin chúc cô sức khỏe, hạnh phúc và công táctốt trong nghiên cứu khoa học!

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn tới bạn Phạm Văn Dương và các anh chị ởkhoa Vật Lý, bộ môn Vật Lý Chất Rắn, Trung Tâm Khoa Học Vật Liệu,Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐHQGHN, những người đã tạo điềukiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và hoàn thành khóa luậnnày

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô trong bộ môn Vật

Lý Nhiệt Độ Thấp đã dạy dỗ, quan tâm em trong suốt quá trình em học tập tạitrường Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trong khóa luận vẫn có nhiều thiếusót, em mong các thầy cô và hội đồng bảo vệ góp ý để khóa luận của em đượchoàn thiện tốt hơn Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 13 tháng 05 năm 2016

Sinh Viên NGUYỄN TỐNG GIANG

Mục Lục

Mở Đầu

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, nhu cầu về nhữngthiết bị, vật liệu nhỏ gọn, hiệu suất cao cho cuộc sống hiện đại ngày càngtăng, đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệumới có những tính chất ưu việt để đáp ứng những nhu cầu đó BaTiO3 là vậtliệu thuộc họ perovskite và nó mang những tính chất đặc trưng của vật liệuperovskite đặc biệt là tính chất điện và tính chất từ

BaTiO3 là vật liệu có hằng số điện môi lớn, có thể dao động từ 1000đến 2000 ở nhiệt độ phòng và có thể lên đến 104 ở gần nhiệt độ Curie (nhiệt

độ Curie của BaTiO3 cỡ 120oC) Vật liệu BaTiO3 được sử dụng trong cácngành công nghiệp điện và điện từ Một số ứng dụng đáng chú ý của vật liệuBaTiO3 như dùng làm tụ điện trong các bộ nhớ máy tính như đã có trong liệt

kê viết tắt DRAM, FRAM và NVRAM, chế tạo tụ điện gốm đa lớp MLC(Multilayer Ceram Capacitor) hay MLCC (Multilayer Ceramic ChipCapacitor), làm các cảm biến Bên cạnh đó, BaTiO3 cũng được ứng dụng đểchế tạo vật liệu dạng màng dùng trong các thiết bị điện tử Hạt áp điệnBaTiO3 ở kích cỡ nanomet có thể được phân tán trong nền polymer để chếtạo các sensor cảm biến nhiệt hoặc khí

Những tính chất của vật liệu BaTiO3 hiện nay vẫn đang được các nhàkhoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là tính chất từ Năm

1881, Warburg đã tìm ra hiệu ứng từ nhiệt (magnetocaloric effect - MCE) là

sự thay đổi từ độ theo nhiệt độ của vật liệu dưới tác dụng của từ trường Hiệuứng từ nhiệt khổng lồ (GMCE – Giant Magnetocaloric Effect) được A.Pecharsky và K.A Gschneidner phát hiện trong hệ vật liệu liên kim loại chứađất hiếm Gd5Ge2Si2 Hiệu ứng từ trở khổng lồ lần đầu tiên được phát hiện vàonăm 1993 bởi nhóm nghiên cứu của S.Jin (AT&T Bell Laboratories, MurrayHill, Hoa Kỳ), cùng với một số đồng nghiệp khác ở Đài Loan trên các màngmỏng vật liệu perovskite La-Ca-Mn-O Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra sựthay đổi điện trở tới hàng ngàn phần trăm Tiếp theo đó, hàng loạt nghiên cứu

đã phát hiện ra hiệu ứng trong cả vật liệu khối perovskite

Với khả năng ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, đặc biệt là côngnghiệp điện, điện tử nên việc nghiên cứu tính chất của vật liệu BaTiO3 đãđược quan tâm và đẩy mạnh và nó còn chứa đựng những điều lý thú đang chờcon người khám phá Nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả Yuliang Li đã chothấy khi vật liệu BaTiO3 nhiệt độ Curie của chúng tăng khi vật liệu có kíchthước nano mét Trong khuôn khổ khóa luận này chúng tôi tập trung thực hiện

“Chế tạo và nghiên cứu những tính chất vật lý của vật liệu BaTiO 3” Mụcđích của nghiên cứu nhằm tìm ra được điều kiện tối ưu trong qui trình chế tạomẫu để tạo ra được vật liệu BaTiO3 với kích thước nano mét và có từ tính tốtnhất

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục hình vẽ, bảng biểu và tàiliệu tham khảo thì khóa luận được chia ra làm 3 chương chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu BaTiO3

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BaTiO 3

1.1 Cấu trúc tinh thể của BaTiO 3

Cấu trúc dạng khối của BaTiO3 với các vị trí màu đỏ là của ion Ba2+, vịtrí màu vàng là Ti4+,và các nút màu xanh là các ion O2- Ô mạng cơ sở là mộthình lập phương với các tham số mạng a = b = c và α = β = γ = 900 Vị trí 8đỉnh của hình lập phương được chiếm bởi cation Ba2+, tâm của 6 mặt hình lậpphương là vị trí của anion O2- và tâm của hình lập phương là vị trí của cation

Ti4+ Trong cấu trúc này, cation Ti4+ được bao quanh bởi 8 cation Ba2+ và 6anion O2-, còn quanh mỗi vị trí cation Ba2+ được bao quanh bởi 12 anion O2-

[14]

Hình 1.1: Cấu trúc của BaTiO3 [14]

Như vậy, đặc trưng quan trọng trong cấu trúc của BaTiO3 là tồn tại cácbát diện BO6 nội tiếp trong một ô mạng cơ sở với 6 anion ôxy tại các đỉnh củabát diện và một cation Titan tại tâm bát diện Khối bát diện này đóng vai tròrất quan trọng liên quan tới tính chất điện của vật liệu Chúng ta cũng có thểbiểu diễn cấu trúc của BaTiO3 như là bao gồm các bát diện BO6 sắp xếp cạnhnhau, hình 1.1b mô tả cấu trúc tinh thể khi tịnh tiến trục tọa độ đi ½ ô mạng

Thông số rất quan trọng trong cấu trúc của BaTiO3 là thừa số bền vững[1] Thừa số này liên quan mật thiết đến sự hình thành các momen phân cực

tự phát Gọi RA, RB, RO tương ứng là bán kính của các ion Ba2+, Ti4+ và O2- thìthừa số bền vững được xác định bằng công thức:

R R

+

=

+

Nếu t = 1: Cấu trúc BaTiO3 là cấu trúc xếp đặt lý tưởng

Nếu t > 1: Khoảng cách OB lớn hơn tổng bán kính của các ion O2- và

Ti4+ nên ion Ti có thể di chuyển ở bên trên trong khối bát diện

Nếu t < 1: Khoảng cách OA lớn hơn tổng bán kính của các ion O2- và

Ba2+ nên ion Ba linh động trong mạng

Nói chung cấu trúc BaTiO3 bền vững khi 0,9 < t < 1,1

* Liên kết trong mạng BaTiO 3

Năng lượng liên kết của các nguyên tử với nhau để tạo thành vật rắnđược gọi năng lượng liên kết Đó là hiệu của năng lượng vật rắn và nănglượng của các nguyên tử hay phân tử tạo nên vật rắn ở trạng thái tự do Vậtliệu BaTiO3 là tinh thể ion nên giữa các ion trong tinh thể luôn tồn tại songsong hai loại lực là lực hút hoặc lực đẩy Coulomb và lực đẩy ở khoảng cáchngắn Nguyên nhân sâu xa của lực đẩy này chính là nguyên lý Pauli nên lựcđẩy của các ion được gọi là lực đẩy Pauli [1] Năng lượng tĩnh điện của haiion nằm cách nhau khoảng Rij được xác định bằng biểu thức:

Với R là khoảng cách giữa 2 lân cận gần nhất

Kết quả thực nghiệm cho thấy thế năng đẩy giữa hai ion cách nhaukhoảng R được xác định bằng biểu thức sau:

Do lực đẩy của các ion chỉ đáng kể ở khoảng cách gần, nên thế năngđẩy chỉ tính với các ion lân cận gần nhất, còn đối với các ion ở xa có thể bỏqua Năng lượng liên kết giữa hai ion trong tinh thể BaTiO3 có dạng:

R

q R W

Năng lượng tổng cộng của các ion trong tinh thể perovskite BaTiO3

được xác định bằng công thức sau:

z N NW

2

ρλ

Với z là số các lân cận gần nhất, α là hằng số Madelung phụ thuộc vàocấu trúc của tinh thể Biểu thức trên thật ra là biểu thức gần đúng do đã bỏqua sự tương tác giữa các hệ điện tử và các hạt nhân cũng như tương tác củacác hạt nhân với nhau

Hiện nay, dựa trên phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT), các nhàkhoa học đã tính toán năng lượng tổng cộng và tính chất điện tử của vật liệuPerovskite BaTiO3 với độ chính xác cao nhờ đề cập chính xác hơn đến cácloại tương tác khác nhau giữa các nguyên tử Hình 1.2 mô tả sự phụ thuộc củanăng lượng tổng cộng của vật liệu Perovskite BaTiO3 có cấu trúc lập phươngvào thể tích ô cơ sở

Dựa vào đồ thị (Hình 1.2), ta thấy cực tiểu năng lượng tổng cộng đạtđược ở thể tích V = 62.96 (Ao)3 ứng với hằng số mạng a = b = c =3.98Ao

Hình 1.2 Đồ thị của năng lượng tổng cộng theo thể tích ô mạng ứng với một

cấu hình ion xác định [1]

1.2 Các tính chất của vật liệu BaTiO 3

Khi không pha tạp, BaTiO3 thể hiện tính chất điện môi, tính chất củavật liệu này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Dưới đây là một vài tính chất đặctrưng của vật liệu này

1.2.1 Tính chất điện:

BaTiO3 là chất sắt điện thể hiện tính nhiệt điện trở lớn Nhưng khi tapha tạp thêm vào vật liệu này một số các ion đất hiếm hoặc là các ion của cáckim loại chuyển tiếp thì tính dẫn điện của BaTiO3 có thay đổi từ tính điện môisang tính dẫn điện kiểu bán dẫn Vật liệu sắt điện đã được biết đến hơn mộtthế kỉ nay, khi hằng số áp điện lớn được tìm ra trong muối Rochelle có côngthức dạng KNa(C4H4O6).H2O Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu cơ bản vềtính chất sắt điện trong muối Rochelle, nhưng do cấu trúc phức tạp của nó và

có quá nhiều ion trong một ô cơ sở đã dẫn đến những hạn chế trong việcnghiên cứu các thuyết tương ứng với các kết quả thực nghiệm được phát hiệntrong mẫu muối này Phải đến những năm 40, tính chất sắt điện mới đượcnghiên cứu đầy đủ trong cấu trúc Perovskite của BaTiO3 Việc khảo sát cấutrúc Perovskite với số lượng nhỏ các ion trong một ô cơ sở đem đến nhữngkết quả làm lý thuyết căn bản trong việc giải thích các hiệu ứng sắt điện [5]

 Sự tồn tại phân cực tự phát trong vật liệu sắt điện

Độ phân cực tự phát là đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu sắt điện

Độ phân cực được xác định là mật độ của momen lưỡng cực điện trên mộtđơn vị thể tích:

∫

= MdV V

Ở 0 độ tuyệt đối, các mômen lưỡng cực điện song song với nhau tạonên độ phân cực tự phát

Độ phân cực của chất sắt điện không thay đổi một cách tuyến tính dướiđiện trường ngoài, mà biến đổi theo một hàm phức tạp

Khi có mặt điện trường ngoài thì độ phân cực của vật liệu sắt điện sẽthay đổi cả về hướng và độ lớn Sự phụ thuộc của độ phân cực điện vào điệntrường ngoài được thể hiện bằng đường cong điện trễ (hình1.3)

Khi chưa có điện trường ngoài, độ phân cực bằng 0 Khi tác dụng mộtđiện trường ngoài với cường độ tăng dần thì độ phân cực điện của khối vậtliệu cũng tăng dần đến một giá trị cực đại gọi là độ phân cực điện bão hòa Ps,lúc này ta có tăng cường độ điện trường lên thì độ phân cực điện cũng khôngtăng thêm nữa Nếu giảm cường độ điện trường thì độ phân cực điện của vậtliệu cũng giảm theo nhưng nó không trùng với đường cong ban đầu Khicường độ điện trường ngoài bằng 0 thì độ phân cực không về giá trị 0 mà tồntại một độ phân cực nhất định gọi là độ phân cực dư Pr Để triệt tiêu hoàn toàn

độ phân cực dư cần tăng cường độ điện trường theo hướng ngược lại đến giátrị điện trường khử hay lực kháng điện Ec Tiếp tục tăng cường độ điệntrường theo chiều này, độ phân cực điện đảo chiều và cũng tăng dần cho đến

giá trị Ps Giảm dần cường độ điện trường và tăng theo hướng ngược lại, ta

sẽ thu được đường cong khép kín gọi là đường cong điện trễ[12]

Hình 1.3: Đường cong điện trễ [11]

Việc hình thành momen lưỡng cực điện tự phát trong tinh thể là do sựlệch nhau giữa trọng tâm của điện tích dương và điện tích âm trong ô cơ sởcủa tinh thể, và điều này xảy ra khi điện trường nội khác 0 trong quá trìnhphát triển tinh thể và hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc không gian của tinhthể

Hình 1.4: Pha cấu trúc và phân cực tự phát [1]

Tại nhiệt độ lớn hơn 120°C BaTiO3 có cấu trúc lập phương (hình 1.4.I).Lúc này cấu trúc là xếp chặt hoàn hảo nên không có sự phân cực tự phát trong

ô mạng Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 120°C BaTiO3 có ba pha cấu trúc giả

lập phương lần lượt là tứ giác, đơn nghiêng và thoi (hình 1.4.II, hình 1.4.III,hình 1.4.IV).

Tại pha tứ giác, ta có thể hình dung là hai đáy ô mạng BaTiO3 bị “kéogiãn” Điều này làm cho khoảng cách giữa các ion O2- nằm ở tâm hai đáy tănglên dẫn đến sự xuất hiện của hố thế kép dọc theo trục bị giãn, trục c Ion Ti4+

sẽ chiếm một trong hai hố thế trên để tạo thành độ phân cực tự phát trong ômạng Phương của véctơ độ phân cực tự phát này hướng dọc theo trục c

Tương tự, tại pha đơn nghiêng, hai cạnh đối diện của ô mạng BaTiO3 bị

“kéo giãn” là xuất hiện véctơ phân cực tự phát song song với đường chéo củamặt bị kéo giãn của ô mạng Tại pha thoi, hai đỉnh đối diện của ô cơ sở bị

“kéo giãn” làm xuất hiện véctơ phân cực tự phát hướng dọc theo đường chéochính của ô mạng (hình 1.4.IV) Giá trị của độ phân cực tự phát như hàm củanhiệt độ ở các pha cấu trúc khác nhau của BaTiO3 được chỉ ra trên hình 1.5

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của độ phân cực tự phát vào nhiệt độ của BaTiO3

 Điểm Curie và các chuyển pha trong vật liệu BaTiO 3 sắt điện.

Một đặc tính khác của vật liệu sắt điện là nhiệt độ chuyển pha curie sắtđiện Tc Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm chuyển pha curie, trong vật liệusắt điện xảy ra quá trình chuyển pha cấu trúc từ pha lập phương không cóphân cực tự phát sang pha giả lập phương có phân cực tự phát Khi nhiệt độlớn hơn nhiệt độ Tc vật liệu không thể hiện các đặc tính sắt điện mà chỉ ởnhiệt độ dưới nhiệt độ Tc vật liệu mới có các tính chất sắt điện Nguyên nhâncủa tính chất sắt điện là do sự méo mạng của cấu trúc thuận điện, vì vậy đối

xứng tinh thể của pha sắt điện bao giờ cũng thấp hơn đối xứng tinh thể ở phathuận điện Vật liệu BaTiO3 có 3 pha sắt điện nhưng chỉ có nhiệt độ tươngứng với chuyển pha cấu trúc từ lập phương(thuận điện) sang tứ giác (sắt điện)mới gọi là điểm chuyển pha curie sắt điện Các điểm còn lại chỉ gọi là điểmchuyển pha cấu trúc đơn thuần [4].

1.2.2 Tính chất từ

Tính từ của BaTiO3 có thể thay đổi nhiều trạng thái khác nhau trongcùng một vật liệu Khi pha tạp, tùy theo ion và nồng độ pha tạp mà cấu trúctinh thể sẽ bị thay đổi không còn là cấu trúc lý tưởng, sẽ tạo ra trạng thái hỗnhợp hóa trị và sai lệch cấu trúc làm cho hợp chất nền trở thành vật liệu cónhiều hiệu ứng lý thú như: hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt

 Thuận từ

Thuận từ là một dạng từ tính yếu của vật liệu, mỗi nguyên tử có momenlưỡng cực từ vĩnh cửu do các momen spin hay momen quỹ đạo không bị bùtrừ hoàn toàn Khi không có mặt từ trường ngoài, hướng của các momen từnguyên tử hỗn độn, điều này làm cho vật liệu không có từ tính vĩ mô Cáclưỡng cực từ nguyên tử có thể quay tự do, tính thuận từ xuất hiện khi chúngquay hướng theo từ trường ngoài đặt vào mẫu Hệ số từ hóa χ dương và giá trịcủa nó nằm khoảng 10-5 ÷ 10-2

Hình 1.6: Momen từ của nguyên tử của chất thuận từ khi có và không có từ trường

Nghịch từ

Nghịch từ là dạng từ tính rất yếu của vật liệu, nó không vĩnh cửu, chỉxuất hiện khi có mặt từ trường ngoài Nó được gây ra bởi sự thay đổi chuyểnđộng quĩ đạo của điện tử gây ra do từ trường ngoài Giá trị của momen từ cảmứng là rất nhỏ và ngược hướng với từ trường ngoài Hệ số từ hóa χ âm, giá trị

χ với vật liệu rắn nghịch từ cỡ -10-5 Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đềuđược coi là chất phi từ, chúng chỉ thể hiện tính chất từ khi có mặt từ trườngngoài

Hình 1.7: Momen từ của nguyên tử của chất nghịch từ khi có và không có từ

trường

 Sắt từ

Sắt từ là những chất có khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từtrường ngoài Tương tác giữa các spin trong chất sắt từ là dương và lớn nên các spin sắp xếp song song với nhau Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát, nó xuất hiện cả khi từ trường bằng 0, tuy nhiên khi H = 0 thì vật liệu bị khử từ

Hình 1.8: Momen từ của nguyên tử của chất sắt từ khi không có từ trường

 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất từ

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến đặc trưng từ của vật liệu Khi nhiệt độtăng, làm tăng dao động nhiệt của các nguyên tử Momen từ quay tự do nênkhi tăng nhiệt độ làm tăng chuyển động nhiệt của các nguyên tử làm hỗn loạnhướng của các momen từ đã được sắp xếp.

Đối với các vật liệu sắt từ, phản sắt từ và feri từ, chuyển động nhiệtnguyên tử chống lại lực liên kết giữa các lưỡng cực nguyên tử cạnh nhau làmhỗn loạn sự sắp xếp song song đã có dù có mặt từ trường ngoài hay không.Kết quả là làm giảm từ độ bão hòa của sắt từ và feri từ Từ độ bão hòa ở nhiệt

độ 0k là cực đại vì ở nhiệt độ đó dao động nhiệt là cực tiểu Với sự tăng nhiệt

độ, từ độ bão hòa bị giảm dần và giảm nhanh xuống 0 ở nhiệt độ gọi là nhiệt

độ Curie T c Ở nhiệt Tc lực liên kết tương hỗ giữa các spin hoàn toàn bị pháhủy, cao hơn nhiệt độ Tc thì các vật liệu sắt từ sẽ trở thành thuận từ [6]

1.3 Một số hiệu ứng đặc biệt của các vật liệu sắt điện và sắt từ

 Hiện tượng áp điện

Áp điện là hiện tượng khi vật liệu chịu tác dụng ứng suất kéo hoặcnén thì trong vật liệu xuất hiện sự phân cực điện cảm ứng Ngược lại, khiđặt trong một điện trường ngoài thì vật liệu sẽ bị biến dạng dài ra hoặc ngắnlại, tuỳ thuộc vào điện trường ngoài cùng chiều hay ngược chiều [4]

Trong trường hợp chịu tác dụng của ứng suất σ, do sự xuất hiện củavectơ phân cực điện nên trong vật liệu sẽ có một điện trường cùng chiềuhoặc ngược chiều với vecto và liên hệ: =-k

trong đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu, σ > 0 nếu ứng suất kéo, σ <

0 nếu ứng suất nén

Các vật liệu có hiện tượng áp điện có thể kể đến như tinh thể thạch anh,một sốvật liệu cấu trúc perovskite như Pb(Zr, Ti)O3, BaTiO3 Nhìn chunghiện tượng áp điện có thể giải thích trên sơ sở dịch chuyển của các ion tráidấu trong tinh thể dưới tác dụng của ứng suất hoặc điện trường ngoài, dẫn đến

sự thay đổi vị trí tương đối giữa các ion và sinh ra độ phân cực điện hoặc biếndạng tinh thể

Hình 1.9: Hiện tượng áp điện trong vật liệuHiện nay, một số nhóm nghiên cứu trong nước đã nghiên cứu hiệu ứng

áp điện của vật liệu khối BaTiO3 Một số nhóm nghiên cứu ảnh hưởng củakích thước hạt lên tính chất từ của vật liệu BaTiO3 chế tạo bằng phương pháphóa Tuy nhiên vật liệu màng BaTiO3 chưa được quan tâm Vì vậy trongkhuôn khổ luận văn này, chúng tôi đi vào nghiên cứu ảnh hưởng của chế độcông nghệ tới tính chất cấu trúc và tính chất từ của hệ mẫu khối và mẫu màngBaTiO3

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Hiện nay việc chế tạo vật liệu BaTiO3 có thể được chế tạo theo nhiềuphương pháp khác nhau Trong khóa luận này, chúng tôi chế tạo hai loại vậtliệu BaTiO3 mẫu khối và mẫu màng Mẫu khối được chế tạo bằng phươngpháp gốm truyền thống, mẫu màng được chế tạo bằng thiết bị PLD

2.1 Chế tạo mẫu khối bằng phương pháp gốm

Sử dụng phương pháp gốm hay còn gọi là phản ứng pha rắn, đây làphương pháp đơn giản và phổ biến để chế tạo các hợp chất oxit, nguyên liệuban đầu là oxit của các kim loại được nghiền trộn trong thời gian 8h để tạo sựđồng đều trong hỗn hợp Cơ sở của phương pháp này là quá trình khuyếch táncủa các nguyên tử trong chất rắn Nếu trạng thái ban đầu của hỗn hợp vật rắnkhông đồng nhất về mặt thành phần hoá học thì quá trình khuyếch tán sẽ làmcho chúng trở nên đồng nhất hơn Trong quá trình khuyếch tán, các nguyên tửtương tác với nhau và giữa chúng hình thành những liên kết hoá học mới.Phản ứng pha rắn thường xảy ra chậm và phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tốnhư nhiệt độ, kích thước hạt và khả năng tạo pha giữa chúng Trong thựcnghiệm này, chúng tôi sử dụng BaO và TiO2 có độ sạch 99% Phương trìnhphản ứng để tạo ra BaTiO3 theo phương trình dưới đây:

BaO + TiO 2 BaTiO 3

Quá trình thực nghiệm được tiến hành theo các bước sau:

Bước1: Cân khối lượng các chất theo hợp phần.

Bước 2: Nghiền nhỏ hạt và trộn đều các chất với nhau

Nghiền khô hỗn hợp gồm BaO và TiO2 trong 8h, với mục đích là làmcho các hóa chất được trộn đều và kích thước hạt nhỏ hơn

Ép khuôn

thiêukết

Sản phẩmNghiền

trộn

Bước 4: Nung thiêu kết

Sau khi ép, mẫu được sấy nhẹ ở nhiệt độ thấp 60oC trong thời gian 12giờ để tránh bị nứt khi nung Sau đó các mẫu có dạng hình hộp và hình trụđược nung ở các nhiệt độ từ 200 đến 800oC

Hình 2.1: Giản đồ nung thiêu kết các mẫu BaTiO3

2.2 Chế tạo màng BaTiO 3 :

Các mẫu BaTiO3 hình trụ có đường kính 20 mm được nung thiêu kết ởcác nhiệt độ từ 200, 400, 600 và 800oC ở trên được làm bia để chế tạo màngtrên đế LAO bằng thiết bị PLD

PLD là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách bắn phá một hay nhiềubia bằng chùm tia laser hội tụ công suất cao (khoảng 108W/cm2) Kỹ thuậtnày lần đầu tiên được sử dụng bởi Smith và Turner vào năm 1965 để chế tạomàng mỏng bán dẫn và điện môi và sau đó được Dijkkamp và các cộng sự sử