Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Kết luận chương 1

Kết luận chương 1

Tải bản đầy đủ - 0trang

Từ những nội dung đã trình bày chúng tơi rút ra các kết luận trong chương

này như sau:

1. Perovskite có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của vật liệu gốm

canxi titanat (CaTiO3). Ô mạng cơ sở là một hình lập phương với các tham số

mạng a = b = c và α = β = γ = 900. Hầu hết các vật liệu có cấu trúc

perovskite khơng pha tạp đều thể hiện tính điện mơi phản sắt từ. Khi pha

tạp, tùy theo ion và nồng độ pha tạp mà cấu trúc tinh thể sẽ bị thay đôi. Do

các nguyên nhân như méo mạng tinh thể, xuất hiện trạng thái hỗn hợp hóa trị,

… cùng với nhiều hiệu ứng khác, tính chất điện và từ của vật liệu có thể bị

thay đôi mạnh.

2. Vật liệu BiFeO3 thường tồn tại trong cấu trúc mặt thoi thuộc nhóm

khơng gian R3C với hằng số mạng a = 5,579 A0 và c = 13,869 A0. Vật liệu

BiFeO3 tờn tại đờng thời tính chất sắt điện (TC ~ 1103 K), tính chất phản sắt

từ (TN ~ 643 K). Ở nhiệt độ phòng, vật liệu BiFeO3 có Ms nhỏ.

3. Kích thước hạt ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất điện, từ và tính chất

quang của vật liệu.

4. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu BiFeO3 được cải thiện bằng cách

pha tạp ion kim loại chuyển tiếp nhóm 3d.



26



Chương 2

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT

CỦA MẪU BỘT NANO BiFe1-xMnxO3

Trong chương này chúng tơi trình bày phương pháp chế tạo cũng như các

phép đo được thực hiện trên hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 với tỉ lệ pha tạp (x = 0,00;

0,05; 0,055; 0,06; 0,065; 0,07) bằng phương pháp sol-gel sử dụng acid citric và

acid nitric.

2.1. Phương pháp chế tạo mẫu bột BiFe1-xMnxO3

Dưới đây chúng tơi trình bày quy trình tơng hợp BiFe1-xMnxO3 bằng

phương pháp sol – gel sử dụng citric acid với nitric acid.

Hóa chất sử dụng: Bismuth nitrate [Bi(NO3)3.5H2O], Ferric nitrate

[Fe(NO3)3.9H2O], citric acid [C6H8O7.H2O)], nitric acid [HNO3], [NH3,

(NH4OH)], [Mn(NO3)2].

Quy trình tơng hợp BiFe1-xMnxO3: Hòa trộn (0,01 – 0,01.x) mol

[ Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O] và 0,01 mol [Bi(NO 3 ) 3 .5H 2 O] trong 50ml nước cất và

được khuấy đều bằng máy khuấy từ. Sau 1 giờ, nhỏ 15ml nitric acid

[HNO 3] vào dung dịch. Tiếp tục khuấy cho đến khi dung dịch trong suốt thì

thêm citric acid vào một cách cẩn thận với tỉ lệ mol Fe(NO3)3.9H2O/Bi(NO3)3.

5H2O/C6H8O7.H2O = 1/1/2. Dung dịch ammonia sau đó được thêm bằng cách

nhỏ giọt với tỉ lệ thích hợp vào hỗn hợp đã pha trộn và duy trì độ PH = 8. Nhỏ

0,01.x mol dung dịch [Mn(NO3)2] vào hỗn hợp. Tiếp tục khuấy hỗn hợp trong

khoảng 14 -15h để phân tán đều các hạt BiFeO3 trong dung dịch. Tiếp theo,

dung dịch được khuấy gia nhiệt ở khoảng 80 0C đến khi thu được gel có màu

nâu đậm. Gel thu được sấy đến khơ ở nhiệt độ (120 ± 10) 0C trong 48h. Sau khi

được tán mịn, bột được nung thiêu kết ở nhiệt độ 6500 C trong khoảng 2 giờ rôi

được làm nguội trong lò đến nhiệt độ phòng. Sử dụng quy trình này chúng tôi

đã chế tạo được các mẫu BiFe1-xMnxO3 với x = 0,00; 0,05; 0,055; 0,06; 0,065;

0,07. Toàn bộ quy trình chế tạo được trình bày như hình 2.1.



27



Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo hạt nano BiFe1-xMnxO3.



Kh

K

S D

uấy

hỏ

hu

ấ u

,ấy

dun

y n

gtrộ



đ g

nể

dịc

gi

hth d

atro

ng

nh

Mn

u ị

50

iệt

(N

đ c

ml

để

ư 3)h

O

th



2nư

uớc

c N

đư

cất

b H

Hỗ

ợc

nột 3

ge

m

lhợ

à

pu

du

n

ng

â

u

dịc

h

đã

đư

ợc

thê

m

Mn

(N

O3)

2



28



Hình 2.2. Quá trình khuấy và gia nhiệt.



Hình 2.3. Mẫu bột BiFe1xMnxO3.



2.2. Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của

mẫu

2.2.1. Phép đo nhiễu xạ tia X

Cấu trúc tinh thể của một chất quy định các tính chất vật lý của nó. Nghiên

cứu cấu trúc tinh thể là một phương pháp cơ bản nhất để nghiên cứu cấu trúc

vật chất. Hiện nay có một phương pháp được sử dụng hết sức rộng rãi đó là

nhiễu xạ tia X. Ưu điểm của phương pháp này là xác định được các đặc tính

cấu trúc, thành phần pha của vật liệu mà khơng phá huỷ mẫu, có thể thực

hiện phép đo nhanh và cũng chỉ cần một lượng nhỏ để phân tích.

Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X là: chiếu chùm tia X

đơn sắc vào tinh thể, các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phát

sóng thứ cấp, các sóng thứ cấp này triệt tiêu với nhau theo một số phương

cho cực tiểu giao thoa và tăng cường với nhau theo một số phương cho cực đại

giao thoa tạo nên hình ảnh giao thoa. Hình ảnh giao thoa thu được phụ thuộc

vào cấu trúc của tinh thể. Phân tích hình ảnh đó ta có thể biết được cách sắp

xếp các nguyên tử trong ô mạng. Qua đó ta xác định được cấu trúc mạng tinh

thể, các pha cấu trúc trong vật liệu, cấu trúc ô mạng cơ sở,…

29



Hỗ

n

hợ

p

du

ng

dịc

h

đã

đư

ợc

thê

m

aci

d

citr

ic



Nguyên tắc của phương pháp nhiễu xạ tia X dựa trên định luật nhiễu xạ

Laue và điều kiện nhiễu xạ Bragg. Mạng tinh thể là tập hợp của các mặt phẳng

song song cách nhau một khoảng d. Khi chiếu chùm tia X vào bề mặt mẫu, do

tia X có khả năng đâm xun mạnh nên khơng chỉ những nguyên tử bề mặt

mà cả những nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ. Điều

kiện để xảy ra hiện tượng nhiễu xạ: góc giữa mặt phẳng nhiễu xạ với tia tới

và tia nhiễu xạ là bằng nhau; phương của tia tới, tia nhiễu xạ và pháp tuyến

của mặt phẳng nhiễu xạ là đồng phẳng; sóng tán xạ của các nguyên tử theo

phương tán xạ là đơng pha.

Điều kiện để có cực đại giao thoa được xác định theo công thức Bragg:

nλ = 2dhkl sinθ



(2.1)



Trong đó, dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng phản xạ liên tiếp (mặt

phẳng mạng tinh thể) có các chỉ số Miller (hkl); n = 1, 2, 3,… là bậc phản xạ; θ

là góc nhiễu xạ [3]. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ với các góc 2θ khác nhau có

thể ghi nhận bằng cách sử dụng phim hay detector.



Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ tia X trên tinh thể

Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau thì phơ nhiễu xạ có những đỉnh tương

ứng với các giá trị d, θ khác nhau đặc trưng cho loại vật liệu đó. Đối chiếu giản

26



đơ nhiễu xạ tia X: góc 2θ của các cực đại nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt

phẳng nguyên tử với dữ liệu nhiễu xạ chuẩn ta có thể xác định được cấu trúc

tinh thể như kiểu ô mạng, hằng số mạng,… và thành phần pha của loại vật liệu

đó.

Từ số liệu trên giản đơ nhiễu xạ tia X, ta cũng tính được kích thước hạt nano

dựa vào công thức Debye – Scherrer [3]:

0,9λ

D = β cosθ



(2.2)



Trong đó: λ là bước sóng của tia X; β là độ rộng bán phơ (rad); θ là góc

nhiễu xạ; D là kích thước trung bình của tinh thể. Từ (2.2) chúng ta thấy nếu

vạch phơ có độ bán rộng càng lớn thì chứng tỏ kích thước của hạt tinh thể càng

nhỏ và ngược lại.

Các nghiên cứu về cấu trúc tinh thể của mẫu BiFe1-xMnxO3 trong luận văn

này được thực hiện trên thiết bị nhiễu xạ tia X - XRD D8 Advance (Bruker,

Đức) tại Phòng thí nghiệm Cơng nghệ micro và nano, trường Đại học khoa

học Tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Nguồn phát tia X được sử dụng là

các bức xạ của kim loại CuKα với bước sóng λ = 0,154 nm (xem hình 2.5).



Hình 2.5. Thiết bị đo X-ray D8 Advance Brucker



2.2.2. Chụp ảnh hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt

với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học vì bước sóng của

chùm tia điện tử nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng vùng ánh sáng khả kiến.

Để nghiên cứu hình thái bề mặt với độ phân giải cao và kích thước hạt của các

mẫu, chúng tôi tiến hành chụp bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét

(SEM).

Nguyên lý hoạt động: điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử, sau đó

được tăng tốc bởi hiệu điện thế cỡ vài chục kilơvơn, thường là 10 ÷ 30 (kV) và

hội tụ thành một chùm điện tử hẹp nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó qt trên

bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Khi điện tử tương tác với các nguyên

tử trên bề mặt mẫu vật sẽ có các bức xạ phát ra. Các bức xạ phát ra gôm có:

điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, tia X, điện tử Auger,... Mỗi loại bức xạ

thoát ra mang một thơng tin về mẫu phản ánh một tính chất nào đó ở chỗ chùm

tia điện tử tới đập vào mẫu, các điện tử thoát ra này được thu vào đầu thu đã kết

nối với máy tính có cài đặt chương trình xử lý, kết quả thu được là thơng tin bề

mặt mẫu được đưa ra màn hình.

Trong SEM chủ yếu dùng ảnh của các điện tử phát xạ thứ cấp, năng lượng

của các electron này nhỏ nên chỉ ở vùng gần bề mặt cỡ vài nm chúng mới thoát

ra ngồi được. Khi quan sát hình ảnh bề mặt của mẫu, nếu đầu thu thu được tín

hiệu mạnh thì điểm tương ứng trên màn sẽ sáng lên. Vì mẫu để nghiêng so với

chùm tia tới nên khơng có sự đối xứng, do đó độ sáng của tín hiệu phụ thuộc

vào vùng bề mặt mà các electron đầu tiên đập vào. Nếu bề mặt mẫu có những

lỗ nhỏ thì trên màn sẽ có những vết đen do điện tử thứ cấp phát ra từ lỗ đó đến

đầu thu tín hiệu rất ít và biến thành xung điện bé. Ngược lại với bề mặt phẳng

thì màn ảnh sẽ sáng đều. Từ đó chúng ta quan sát được bề mặt của mẫu.

Ưu điểm của kính hiển vi điện tử quét là làm mẫu dễ dàng, khơng phải cắt



thành lát mỏng và phẳng. Kính hiển vi điện tử qt thơng thường có độ phân giải

cỡ 5 nm, do đó chỉ thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano [60]. Sơ đô

cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của SEM được mô tả trên hình 2.6. Khi các

điện tử va chạm vào các nguyên tử ở bề mặt mẫu, có thể phát ra tia X, năng

lượng tia X đặc trưng cho các nguyên tố phát ra chúng. Bằng cách phân tích

phơ năng lượng của tia X, ta có thể biết được thành phần hóa học của mẫu tại

nơi chùm tia điện tử chiếu vào.



Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hiển vi điện tử

quét (SEM) [6]

Trong luận văn này, ảnh SEM của các mẫu BiFe1-xMnxO3 được chụp bằng

kính hiển vi điện tử nhiễu xạ trường trên máy Hitachi S - 4800 (Nhật Bản), tại

phòng thí nghiệm kính hiển vi điện tử, Viện Vệ Sinh Dịch tễ Trung ương.

2.2.3. Khảo sát đường cong từ trễ bằng từ kế mẫu rung VSM

Để khảo sát tính chất từ của mẫu BiFe1-xMnxO3 chúng tôi dùng thiết bị đo

từ kế mẫu rung VSM. Nguyên tắc chung của một từ kế mẫu rung là biến giá

trị của tín hiệu từ độ thành giá trị của một đại lượng khác có thể đo đạc, định

lượng một cách thuận tiện. Phép đo được thực hiện dựa trên hiện tượng cảm

ứng điện từ, trong đó sự thay đơi từ thơng do mẫu sinh ra được chuyển thành

29



tín hiệu điện.



Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo của hệ đo từ kế mẫu rung [3]

Hệ đo từ kế mẫu rung có cấu tạo gơm:

Bộ phận gắn mẫu gờm cần gắn mẫu được đặt bên trong bng mẫu, phía

trên gắn với hệ thống màng rung tạo các dao động theo phương thẳng đứng với

một tần số và biên độ xác định. Dòng điện âm tần được dùng để rung màng

rung được cấp bởi một máy phát âm tần. Trong quá trình tiến hành đo mẫu,

mẫu được đặt trong vùng từ trường có đặt các cuộn dây thu tín hiệu. Mẫu có

thể quay trong mặt phẳng nằm ngang nhờ hệ thống mâm quay, cho phép ta

khảo sát được theo các phương khác nhau của từ trường.

Từ trường một chiều được tạo ra bởi một nam châm điện, hai cực nam

châm hình tròn có bán kính thích hợp đối với u cầu về độ đông nhất của từ

trường.

Bộ phận đo từ độ bao gôm 4 cuộn dây được mắc xung đối. Cách bố trí

này cho phép các cuộn dây chỉ ghi nhận tín hiệu tạo ra do sự biến đôi từ thông

do sự dịch chuyển của mẫu mà khơng thu nhận các tín hiệu do sự thay đơi

của từ trường tác dụng. Tín hiệu điện xoay chiều được lấy ra từ cuộn dây thu

30



tín hiệu



31



do sự thay đởi của từ trường tác dụng được đưa tới đầu vào của máy khuếch

đại nhạy pha và được so sánh với tín hiệu chuẩn lấy từ đầu ra của máy phát âm

tần. Bằng cách đó, có thể loại bỏ được đáng kể các dao động rung lắc khơng

cần thiết của cần mẫu và các tín hiệu nhiễu của mơi trường, đảm bảo độ trung

thực của tín hiệu đo. Đơn vị của mômen từ thường sử dụng trong từ kế mẫu

rung là emu (electromagnetic unit).



1emu =



1A.m 2

1000



(2.3)



Trong luận văn này, tính chất từ của hệ mẫu BiFe1-xMnxO3 được khảo sát

ở nhiệt độ phòng trên hệ đo từ kế mẫu rung VSM của Viện tiên tiến khoa học

và công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Kết luận chương 2

Trong chương này, chúng tơi trình bày phương pháp sol – gel được sử

dụng để chế tạo vật liệu. Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả để chế tạo

mẫu có kích thước hạt nhỏ và có độ đơng nhất tốt. Cấu trúc và tính chất từ của

vật liệu BiFeO3 được phân tích bằng các phép đo: nhiễu xạ tia X, ảnh hiển

vi điện tử quét và chu trình từ trễ.



32



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Kết luận chương 1

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×