SKKN Nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ gốm PZN-PZT pha tạp La chế tạo bằng phương pháp Columbite

 1
 MỞ ĐẦU
 Ngày nay với sự phát triển vũ bão của khoa học kỹ thuật, 
nhiệm vụ tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu mới ứng 
dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực được đặt lên hàng đầu. Trong số 
các vật liệu mới thì vật liệu sắt điện là vật liệu rất quan trọng cho các 
thiết bị điện tử. Chất sắt điện đơn giản có cấu trúc perovskite ABO 3 
còn được gọi là sắt điện thông thường. Với nhiều nghiên cứu của các 
nhà khoa học trên thế giới cho thấy rằng: khi pha một số tạp chất vào 
vật liệu có cấu trúc perovskite ABO3 thì ta sẽ được vật liệu 
 n' n'
perovskite có cấu trúc phức (A'A''...A )BO3 hay A(B'B''...B )O3, 
đồng thời các tính chất sắt điện, áp điện hoàn toàn thay đổi theo 
chiều hướng có lợi. Vật liệu có cấu trúc phức nói trên gọi là vật liệu 
sắt điện relaxor.
 Gốm Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT) là hệ vật liệu đang được quan tâm 
nghiên cứu do có tính chất sắt điện, áp điện tốt, ngoài ra có thể dễ 
dàng thay thế các ion ở vị trí A hoặc B trong cấu trúc perovskite. 
Hợp chất PZT có tính chất áp điện tốt nhất tại biên pha hình thái học. 
Bên cạnh đó Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN) là vật liệu có cấu trúc 
perovskite và cũng có tính chất áp điện rất tốt. Chất sắt điện relaxor 
này rất khó chế tạo bằng phương pháp chế tạo gốm truyền thống, cấu 
trúc perovskite thường không ổn định, dễ dàng xuất hiện pha 
pyrochlore ảnh hưởng xấu đến các tính chất điện môi và áp điện của 
vật liệu. Vì vậy, để ổn định cấu trúc perovskite của chúng, người ta 
thường đưa vào PZN thành phần PZT theo tỉ lệ thích hợp. 
 Theo các công trình nghiên cứu trên thế giới, để cải thiện 
tính chất của hệ gốm PZN-PZT người ta thường pha vào các tạp 
mềm, trong đó có La. Đề tài "Nghiên cứu các tính chất vật lý của 
hệ gốm PZN-PZT pha tạp La chế tạo bằng phương pháp 
Columbite" là công trình nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ gốm sắt 
điện relaxor PZN-PZT theo phương pháp Columbite, đồng thời 
nghiên cứu ảnh hưởng của La đến các tính chất điện môi, áp điện của 
hệ gốm sắt điện này. Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ là một 
đóng góp mới về khoa học. Ngoài ra đề tài này còn giúp cho chúng 
ta có những hiểu biết sâu hơn về ảnh hưởng của La (một loại tạp 
mềm) đến sự thay đổi các tính chất vật lý của hệ gốm sắt điện đã nêu 
trên. 3
relaxor. Trong các chất sắt điện relaxor có cấu trúc perovskite, sự 
phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ thường xuất hiện sự mở 
rộng các đỉnh cực đại. Sự chuyển pha trong những vật liệu này được 
gọi là chuyển pha nhòe. Hằng số điện môi gần vùng nhiệt độ Curie 
cho bởi hệ thức sau:
 1 1 
 C(T Tm )
   m
với γ là độ nhòe.
1.4 Các lí thuyết relaxor [11]
 Các mô hình lý thuyết đã được đưa ra nhằm giải thích các 
tính chất relaxor. Đầu tiên, Smolenskii đã giả thiết rằng các tính chất 
relaxor của PMN là do nhiệt độ TC địa phương thay đổi.
 Trạng thái lưỡng cực như thủy tinh là một kiểu mô hình khác 
mô tả cho trạng thái sắt điện relaxor. Viehland đã chỉ ra bằng chứng 
về tính chất gương bởi việc phân tích phản ứng điện môi thông qua 
việc sử dụng mối quan hệ Volgel-Fulcher, trong đó đã gián tiếp đề 
cập đến sự hoạt hóa động lực học. 
 Một lý thuyết khác gần đây cũng được xây dựng từ một 
trường ngẫu nhiên bị dập tắt vì lý do là sự không đồng nhất của hợp 
chất. 
 Kleemann đã giả thiết rằng chuyển pha nhòe của PMN là do 
sự tương tác của trường ngẫu nhiên mà trong đó cũng có nguyên 
nhân là sự đông cứng của các đômen kích thước nanomet.
1.5 Giản đồ pha của vật liệu sắt điện relaxor
 Phát hiện gần đây về pha đơn tà mới trong PZT ở tại biên 
pha đã làm thay đổi bức tranh về giản đồ pha trước đây của hệ vật 
liệu này. Giản đồ pha của hai hệ được mô tả trong hình 1.3.
 Hình 1.3 Giản đồ pha của hệ gốm PZT và hệ gốm PZN-PT 5
phương pháp cổ truyền là dần dần và liên tục, trong khi đó lại có sự 
thay đổi đột ngột về Ec trong chế tạo gốm bằng phương pháp 
Columbite[19]. 
2.3 Các tính chất áp điện
 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết lên hệ số áp điện d 33 của 
hệ gốm xPZN-(1-x)PZT chế tạo bằng phương pháp Columbite được 
minh họa như hình 2.8. Hệ số áp điện d 33 tăng khi nhiệt độ thiêu kết 
tăng lên đến 12250C và sau đó lại giảm cho tất cả các thành phần hợp 
chất. 
 Nhiệt độ thiêu kết (0C)
 Hình 2.8 Sự phụ thuộc của hệ số áp điện d33 của hệ gốm PZN-PZT 
 chế tạo bằng phương pháp Columbite vào nhiệt độ
 Các giá trị d33 thấp hơn đối với các gốm thiêu kết ở nhiệt độ 
12500C do có sự mất mát PbO trong suốt quá trình nung thiêu kết 
[18], [19], [16].
2.4 Các tính chất của hệ gốm PZN-PZT pha tạp La
 Khi thay đổi nồng độ La pha tạp vào hệ gốm sắt điện PZN-
PZT thì các tính chất điện môi, áp điện, sắt điện của hệ cũng thay đổi 
theo. Điều này sẽ được thể hiện rõ nét hơn trong phần III của luận 
văn. 7
3.2 Kiểm tra quy trình công nghệ và chất lượng mẫu
 3.2.1 Phân tích cấu trúc 
 Hình 3.3 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M0 cho thấy 
rằng: mẫu được chế tạo theo công nghệ trên có cấu trúc perovskite 
với đối xứng mặt thoi, hoàn toàn không tồn tại pha pyrochlore. 
 Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - M0
 2000
 1900
 8
 1800 7
 8
 .
 2
 =
 1700 d
 1600
 1500
 1400
 1300
 1200
 )
 s 1100
 p
 C
 ( 1000
 n
 i 900
 L
 800
 700
 600
 500
 0
 6
 6
 7
 .
 4
 1
 5
 400 3
 3
 =
 3
 .
 8
 d
 0
 2
 .
 0
 =
 .
 2
 d
 4
 8
 =
 300 =
 3
 d
 6
 d
 4
 .
 2
 8
 1
 8
 9
 .
 8
 =
 5
 1
 2
 200 d
 .
 3
 =
 .
 1
 d
 1
 =
 =
 d
 100 d
 0
 20 30 40 50 60 70 80
 2-Theta - Scale
 File: TuHue M0(2009-07-13).raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - 
 01-070-4060 (C) - Lead Zirconium Titanium Oxide - Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 - Y: 37.64 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.05500 - b 4.05500 - c 4.11000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - 
 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M0
 3.2.2 Mật độ gốm
 8,0
 )
 3
 m
 c
 /
 g 7,9
 (
 m
 è
 g
 é
 ®
 t 7,8
 Ë
 M
 7,7
 7,6
 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
 Nång ®é La (% mol)
 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của mật độ gốm vào nồng độ La