Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Của Màng Sắt Điện Không Chứa Chì Bnkt Pha Tạp Fe Có Cấu Trúc Micro Nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐĂNG CƠ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT

CÁC TÍNH CHẤT CỦA MÀNG SẮT ĐIỆN

KHÔNG CHỨA CHÌ BNKT PHA TẠP FE

CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐĂNG CƠ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT

CÁC TÍNH CHẤT CỦA MÀNG SẮT ĐIỆN

KHÔNG CHỨA CHÌ BNKT PHA TẠP FE

CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: 8440126.01QTD

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học:

1. TS. Bùi Đình Tú

2. TS. Ngô Đức Quân

HÀ NỘI - 2019

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và lời cảm ơn sâu sắc

nhất tới hai Thầy hướng dẫn: TS. Bùi Đình Tú (Khoa Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học

Công Nghệ - ĐHQGHN) và TS. Ngô Đức Quân (Viện Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội). Hai Thầy đã truyền cho tôi niềm đam mê học tập và nghiên cứu cũng

như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này. Hai Thầy

không chỉ trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn khoa học mà còn cả cách

tư duy, cách làm việc có hệ thống, hiệu quả và cả cách đối nhân sử thế.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS. Lê Việt Cường, người Thầy đã chỉ bảo tận tình và

hướng dẫn tôi cách nghiên cứu, chỉ dạy các kỹ năng thực hành, thực nghiệm từ những ngày

đầu tiên. Tôi cũng cảm ơn TS. Trần Mậu Danh, TS. Lương Xuân Điển, TS. Hồ Thị Anh...

cùng nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ rất nhiệt tình trong suốt thời gian tôi làm luận văn.

Ngoài ra, tôi cũng xin được trân trọng cảm ơn toàn thể các quý Thầy, Cô và các Anh,

Chị công tác tại Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại

học Quốc Gia Hà Nội đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho tôi những tư duy và nền tảng

khoa học từ những kiến thức cơ bản đến chuyên sâu giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Đặc biệt muốn gửi những tình cảm yêu thương đến gia đình, bạn bè, những người

thân luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi vượt qua mọi khó khăn, cổ vũ và động

viên tôi hoàn thành luận văn này cũng như luôn ủng hộ tôi theo đuổi đam mê khoa học của

mình.

Luận văn được thực hiện với sự hỗ trợ của đề tài: ĐTĐL.CN-02/2017.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2019

Học viên

Nguyễn Đăng Cơ

ii

TÓM TẮT

Trong những năm gần đây, vật liệu sắt điện không chì nhận được nhiều quan tâm của

các nhà nghiên cứu trong cũng như ngoài nước vì tính chất sắt điện, áp điện của vật liệu

này có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ cảm biến, các linh kiện chấp hành, bộ nhớ

FRAM, các linh kiện vi cơ điện tử MEMS hay các tụ tích trữ năng lượng v.v. Trước đó, vật

liệu truyền thống Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) đã độc chiếm thị trường vật liệu sắt điện trong nhiều

ngành công nghệ quan trọng do có tính chất sắt điện, áp điện và điện dung nổi trội. Tuy

nhiên, với hàm lượng chì độc hại chiếm tới 60% khối lượng trong vật liệu PZT đã gây ra

những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường cũng như sức khỏe của con người. Vậy bài toán

đặt ra cho các nhà khoa học là có thể nghiên cứu chế tạo vật liệu mới nào đó có thể thay thế

vật việu sắt điện truyền thống mà vẫn có những tính chất sắt điện tốt giống như PZT hay

không. Vật liệu sắt điện không chì nền Bi đang là ứng cử viên sáng giá thay thế vật liệu

PZT truyền thống này. Vật liệu Bi0,5(NaK)0,5TiO3 (BNKT), với ion Bi3+ giống với Pb2+

đều có khả năng phân cực mạnh, là một trong những vật liệu không chì có tính chất gần

với PZT nhất, nhưng vẫn thấp hơn so với vật liệu PZT thị trường.

Với mục tiêu có thể nghiên cứu, cải thiện và nâng cao hơn nữa các tính chất của

hệ sắt điện không chì luận văn này đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thành công hệ

màng mỏng sắt điện không chì [Bi0,5(Na0,8K0,2)0,5TiO3] (BNKT) trên đế Pt/Ti/SiO2/Si

bằng phương pháp quay phủ sol-gel. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ ủ, thời gian ủ kết tinh

cũng như ảnh hưởng của sự pha tạp Fe dưới dạng BiFeO3 (BNKT-xBFO) đến các tính

chất vật lý của màng BNKT đã được khảo sát. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhiệt

độ ủ kết tinh tối ưu là 700oC. Tại đó màng BNKT cho độ phân cực dư (2Pr), độ phân cực

cực đại (2Pm) cao nhất lần lượt là 18.4 µC/cm2 và 61.2 µC/cm2

. Mật độ năng lượng tích trữ

(Jreco) là 2.3 J/cm3

cùng với hiệu suất năng lượng (η) cực đại là 58.2%. Màng BNKT với

thời gian ủ kết tinh 60 phút là tối ưu nhất với các giá trị Pr = 7.9 µC/cm2

, Pm = 28.9

µC/cm2

. Jreco và (η) của màng đạt các giá trị lần lượt là 2.9 J/cm3 và 59.3%. Khi pha tạp Fe,

màng BNKT-xBFO với tỉ lệ pha tạp x = 0.10 là tốt nhất, tính chất màng được cải thiện rõ

rệt.

Từ khóa: Màng sắt điện không chì, BNKT-xBFO, nhiệt độ ủ kết tinh, thời gian ủ kết tinh,

phương pháp quay phủ sol-gel.

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn

của TS. Bùi Đình Tú và TS. Ngô Đức Quân cũng như sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu. Các

kết quả đưa ra trong luận văn này là do tôi thực hiện. Các thông tin, tài liệu tham khảo từ

các nguồn sách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê trong danh mục

các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam

đoan này.

Học viên thực hiện

Nguyễn Đăng Cơ

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................i

TÓM TẮT ...........................................................................................................................ii

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iii

MỤC LỤC ..........................................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................................vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................... viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................................ix

MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..............................................................................................5

1.1. Vật liệu sắt điện và tính chất của vật liệu sắt điện.............................................5

1.1.1. Vật liệu sắt điện................................................................................................5

1.1.2. Hiện tượng phân cực sắt điện...........................................................................9

1.1.3. Domain sắt điện..............................................................................................10

1.1.4. Quá trình phân cực sắt điện............................................................................13

1.1.5. Chu trình điện trễ ...........................................................................................14

1.2. Vật liệu sắt điện không chì BNKT.....................................................................15

1.2.1. Sự phát triển của vật liệu sắt điện không chì BNKT .....................................15

1.2.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu sắt điện không chì BNKT........................16

1.2.3. Ảnh hưởng của pha tạp đến tính chất vật liệu sắt điện không chì BNKT .....18

1.2.3.1. Ảnh hưởng của pha tạp kim loại đến tính chất của BNKT ...........................18

1.2.3.2. Ảnh hưởng của pha A’B’O3 đến tính chất của BNKT ..................................19

1.3. Kết luận chương 1 ...............................................................................................20

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..............................................21

2.1. Chế tạo màng sắt điện bằng phương pháp quay phủ sol-gel..........................21

2.1.1. Quy trình chế tạo màng bằng phương pháp quay phủ sol-gel .......................21

2.1.2. Quy trình tạo Sol ............................................................................................23

2.1.3. Quy trình tạo gel và tinh thể hoá tạo màng ....................................................26

2.1.4. Quy trình chế tạo điện cực cho màng BNKT, BNKT-xBFO.........................28

v

2.2. Các phương pháp khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu......29

2.2.1. Khảo sát hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi lực nguyên tử AFM ........29

2.2.2. Khảo sát hình thái bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét SEM .......30

2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X...........................................................................31

2.2.4. Phương pháp đo đường cong điện trễ ............................................................33

2.2.5. Phương pháp đo đường cong từ hóa ..............................................................35

2.3. Tổng kết chương 2...............................................................................................36

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................37

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ kết tinh lên các tính chất của màng BNKT.........37

3.1.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt màng BNKT..............................................37

3.1.2. Ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể màng BNKT..............................................38

3.1.3. Ảnh hưởng đến tính chất sắt điện của màng BNKT ......................................39

3.1.4. Ảnh hưởng đến mật độ tích trữ năng lượng của màng BNKT.......................41

3.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ kết tinh lên các tính chất của màng BNKT .......43

3.2.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt của màng BNKT .......................................43

3.2.2. Ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của màng BNKT .......................................44

3.2.3. Ảnh hưởng đến tính chất sắt điện của màng BNKT ......................................45

3.2.4. Ảnh hưởng đến mật độ tích trữ năng lượng của màng BNKT.........................47

3.3. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Fe dưới dạng BFO (BNKT-xBFO) tới tính

chất của màng sắt điện BNKT .....................................................................................48

3.3.1. Ảnh hưởng đến hình thái bề mặt màng..........................................................49

3.3.2. Ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể của màng.....................................................49

3.3.3. Ảnh hưởng tới tính chất từ của màng.............................................................49

3.4. Tổng kết chương 3...............................................................................................52

KẾT LUẬN .......................................................................................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................56