Luận án Chế tạo vật liệu sắt điện không chứa chì nền BaTiO3 và nghiên cứu tính chất điện môi, áp điện của chúng

Tên luận án:

CHẾ TẠO VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN KHÔNG CHỨA CHÌ NỀN BaTiO3 VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, ÁP ĐIỆN CỦA CHÚNG

Ngành:

Vật liệu điện tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu các vật liệu sắt điện không chứa chì nền BaTiO3, nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do chì trong vật liệu áp điện truyền thống PZT gây ra. Mặc dù vật liệu áp điện không chì đã được công bố, cơ chế vật lý giải thích hệ số áp điện lớn vẫn chưa được làm rõ một cách thỏa đáng.

Đề tài đã chế tạo thành công các mẫu vật liệu gốm áp điện (Ba1-xCax)TiO3 (BCT) và BZT-BCT bằng phương pháp tổng hợp pha rắn, đạt chất lượng tốt với tỷ trọng lớn hơn 95% giá trị lý thuyết. Luận án đã nghiên cứu mối liên quan giữa cạnh tranh pha hình thái với tính chất điện môi sắt điện và tính chất áp điện lớn của vật liệu.

Thông qua việc ghi nhận giản đồ nhiễu xạ tia X và ảnh HRTEM, luận án đã quan sát sự thay đổi cấu trúc của hệ mẫu khi thay thế Ca cho Ba. Đối với hệ BCT, các mẫu pha tạp Ca thấp hơn 14,8% có cấu trúc tứ giác sạch pha BCT; khi nồng độ Ca cao hơn 14,8% xuất hiện pha CaTiO3 và dấu hiệu cấu trúc siêu mạng. Giới hạn thay thế Ca cho Ba là khoảng 14,8% nguyên tử Ca. Tương tự, đối với hệ BZT-BCT, nồng độ Ca cũng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, với mẫu BZT-BCT29.6 xuất hiện biên pha hình thái học giữa hai pha tứ giác và mặt thoi. Giới hạn thay thế Ca cho Ba trong hệ BZT-BCT cũng tương đương 14,8% nguyên tử Ca.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thời gian hồi phục điện môi của vật liệu BCT và BZT-BCT phụ thuộc không tuyến tính vào nồng độ Ca thay thế, giảm xuống giá trị cực tiểu khi nồng độ Ca tăng đến 14,8% (hệ BCT) và 29,6% (hệ BZT-BCT), sau đó tăng lên. Đặc biệt, luận án đã thu được giá trị hệ số áp điện lớn nhất (d33 của BCT14.8 là 321pC/N; của BZT-BCT29.6 là 543pC/N) tại các nồng độ Ca tương ứng với thời gian hồi phục điện môi nhỏ nhất. Kết quả này mở ra khả năng ứng dụng vật liệu trong chế tạo linh kiện siêu âm.

Luận án đã quan sát thấy mối quan hệ giữa cấu trúc, thời gian hồi phục điện môi và tính áp điện lớn, là hệ quả của tính cạnh tranh pha cấu trúc trong vùng biên pha hình thái của vật liệu sắt điện áp điện. Từ đó, đề xuất một phương pháp thuận tiện để đánh giá nhanh tính áp điện của vật liệu mà không cần các nghiên cứu cấu trúc phức tạp bằng thiết bị đắt tiền như nhiễu xạ tia X hay HRTEM.

Mục lục chi tiết:

• Chương 1. Tổng quan lý thuyết
• Chương 2. Thực nghiệm
• Chương 3. Ảnh hưởng của Ca thay thế Ba lên cấu trúc và tính chất điện của BCT và BZT-BCT
• Chương 4. Mối liên hệ giữa thời gian hồi phục điện môi và tính chất áp điện của BCT và BZT-BCT