Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO 3 và bằng phương pháp thủy phân nhiệt Hồ Thị Anh Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện Nano Người hướng dẫn:
Trang 1Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO 3 và
bằng phương pháp thủy phân nhiệt
Hồ Thị Anh
Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện Nano Người hướng dẫn: TS Phạm Đức Thắng
Năm bảo vệ: 2011
Abstract: Tổng quan về chế tạo vật liệu sắt điện và tổ hợp BaTiO3 có cấu trúc
Micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt: Vật liệu sắt điện; Phân cực tự phát và sự chuyển pha trong BaTiO3; Hiện tượng điện trễ - Cấu trúc domain; Chuyển pha sắt điện – thuận điện và nhiệt độ Curie sắt điện; Vật liệu sắt điện BaTiO3; Vật liệu sắt từ Fe3O4; Ứng dụng của hạt nano từ Fe3O4 Tiến hành thực nghiệm chương trình: Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm; Tổng hợp BaTiO3; Tổng hợp vật liệu composit BaTiO3/Fe3O4; Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và cấu trúc vi mô; Các phương pháp nghiên cứu tính chất điện và sắt điện Trình bày kết quả và thảo luận về:
Chế tạo vật liệu BaTiO3; Chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano BaTiO3/Fe3O4
Keywords: Công nghệ Nano; Vật liệu Nano; Phương pháp thủy phân nhiệt; Vật liệu
sắt điện
Content
MỞ ĐẦU
Sắt điện là loại vật liệu có đặc trưng trễ của độ phân cực theo điện thế (điện trường) ngoài trong đó vật liệu có cấu trúc perovskite chiếm số lượng nhiều nhất Perovskite, với công thức tổng quát là ABO3, được đặt theo tên nhà khoáng vật học người Nga Count Lev Aleksevich von Perovski (1792-1856) là người tìm ra CaTiO3 lần đầu tiên ở vùng ngọn núi Ural (Cộng hòa Liên bang Nga) vào năm 1839
Trong số các vật liệu sắt điện, barium titanate BaTiO3 là vật liệu có hằng số điện môi lớn, có thể dao động từ 1000 đến 2000 ở nhiệt độ 25oC và có thể lên đến giá trị 104 ở gần nhiệt độ Curie (nhiệt độ Curie của BaTiO3 là Tc = 120oC) BaTiO3 đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu vì bên cạnh các tính chất thú vị trên, chúng còn được sử dụng trong các ngành công nghiệp điện, điện tử Một số ứng dụng đáng chú ý của vật liệu BaTiO3 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 Ceramic
Trang 2Capacitor) hay MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor), làm các cảm biến, [3]-[5]… Bên cạnh đó, BaTiO3 dạng bột và khối cũng được ứng dụng để chế tạo vật liệu dạng màng dùng trong các thiết bị điện tử Hạt áp điện BaTiO3 ở kích cỡ nanomet có thể được phân tán trong nền polymer để chế tạo các sensor cảm biến nhiệt hoặc khí
Việc kết hợp Fe3O4 với BaTiO3 có khả năng tạo nên vật liệu tổ hợp với những tính chất mới S.H Choi và cộng sự đã chế tạo vật liệu compozit nano Fe3O4 bọc các hạt BaTiO3 (kích thước
500 nm) bằng phương pháp siêu âm Vật liệu compozit sau khi tạo viên và nung thiêu kết tại
nhiệt độ 950-1050°C cho giá trị độ thẩm điện môi ε lên tới 148,38-362,4 tại tần số 10 kHz,
lực kháng từ (Hc) đạt 2920-3600 Oe, từ độ bão hòa Ms = 4,81-18,5 emu/g [6], độ hấp thụ sóng điện từ tại dải 8 và 13 GHz Trong xu hướng tìm kiếm các loại vật liệu đa chức năng hiện nay
có một hướng nghiên cứu là chế tạo các vật liệu tổ hợp từ nhiều pha loại vật liệu khác nhau, điển hình như vật liệu sắt điện, sắt từ, áp điện – từ giảo, Gần đây, T Adachi [12] đã công bố kết quả tổng hợp compozit Fe3O4-BaTiO3 bằng cách nhiệt phân sol-khí (spray pyrolysis) tại
nhiệt độ 800-900oC từ hỗn hợp các dung dịch Ba(CH3COO)2, TiCl4 và Fe(NO3)2 Vật liệu thu được có kích thước hạt từ 200-1000 nm và có từ độ bão hòa đo được 57,7 emu/g với lực kháng từ 390 Oe
Trong luận văn này, chúng tôi trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu BaTiO3
và vật liệu composit BaTiO3/Fe3O4 từ các dung dịch muối Fe2+, Fe3+, Ba2+ và Ti3+ trong môi trường kiềm của KOH bằng phương pháp thuỷ nhiệt Đây là một phương pháp được biết đến với nhiều ưu điểm như dễ dàng kiểm soát được thành phần các chất tham gia phản ứng, nhiê ̣t
đô ̣ phản ứng thấp, kích thước hạt đồng đều, hạt tạo ra có kích thước cỡ dưới µm, độ tinh khiết của sản phẩm cao[17]
Luận văn với tiêu đề: „Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện BaTiO3 và tổ hợp
BaTiO3/Fe3O4 có cấu trúc micro-nano bằng phương pháp thủy phân nhiệt‟ gồm có 3 chương như sau:
Chương 1 Tổng quan
Chương 2 Thực nghiệm
Chương 3 Kết quả và thảo luận
Kết luận
References
Tiếng việt
1 Nguyễn Hữu Đức (2003), “Vật lý chuyển pha”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội
2 Nguyễn Hữu Đức (2003), "Vật lý các hiện tượng từ“, NXBĐHQG, Hà Nội
Tiếng Anh
3 A.J Moulson and J M Herbert (1990), Ferroelectric Ceramics : Processing,
properties and applications, Chapman and Hall, London
4 B D Cullity (1972), „Introduction to Magnetic Material‟, Addison – Wesley
Puslishing Company, pp 181
5 D.J Taylor (2000), Handbook of thin film devices: Ferroelectric film devices,
Academic Press, San Diego, Vol 5
6 H.K Park, S.H Choi, J.H Oh, T Ko (2004), “Preparation and characteristics of a
magnetic–dielectric (Fe3O4/BaTiO3) composite by ferrite plating with ultrasound
irradiation” Phys Stat Sol (b) 241, No7, pp 1693-1696
Trang 37 H-T Jeng and G Y Guo (2002), “First-principles investigations of the electronic structure and magnetocrystalline anisotropy in strained magnetite Fe3O4”, Phys Rev
B, 65, 094429
8 Lefebure S, Dubois E, Cabuil V, Neveu S and Massart R (1998), J Mater Res, 13, pp
2975
9 Massart R (1981), IEEE Trans Magn MAG, 17, pp 1247
10 Micheal Z C Hu et al (2000), Powder Technology, Vol 110 I 1-3, , pp 2-14
11 Pankhurst, Q.A., J Connolly, S.K Jones, and J Dobson, J Phys (2003) D,„ Appl
Phys.„, 36 pp 167
12 Papell S S In U S Patent, 1965; Vol 3; pp215
13 R C O‟ Handley (2000), „Modern Magnetic Materials‟, John Wiley and Sons,
NewYork
14 R M Cornell and U.Schwertmann (1996),‟ The iron Oxides’, Wiley
15 Rosensweig R E, Nestor J W and Timmins R S (1965), in Mater Assoc Direct Energy Convers Proc Sym AIChE-I Chem Eng Ser.5, pp104
16 T Adachi, N Wakiya, N Sakamoto, O Sakurai, K Shinozaki, H Suzuki (2009),
“Spray pyrolysis of Fe3O4-BaTiO3 composite particles” J Am Ceram Soc., 92 [S1],
pp.177-180
17 S.Guillemet-Fritsch, et al (2005), “Hydrothermal synthesis of nanosized BaTiO3
powders and dielectric properties of corresponding ceramic”, European Ceramic
Society, Vol 25, pp.2749- 2753
18 W C Elmore (1938) Ferromagnetic colloid for studying msgnetic structure
Phys.Rev, 54, pp 309
19 W Voit, D K Kim, W Zapka, M Muhammed, K V Rao (2001), “Magnetic
behavior of coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles in ferrofluids”, Mat
Res Soc Symp Proc, Vol 676, Y7.8.1-Y7.8.6.39
20 Y Sakabe et al, (2005) “Dielectric properties of nano crystalline BaTiO3 synthesized by micro-emulsion method”, J European Ceramic Society, Vol 25, 2739-2742
21 Yuhuan Xu (1991), “Ferroelectric Materials and Their Applications”, North-
Holland Amsterdam-London-New York Tokyo