Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PbTiO3 PHA TẠP MỘT SỐ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... iv
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH..................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 2
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu PbTiO3.............................................. 2
1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu PbTiO3 ................................................................. 3
1.3. Tính chất cơ bản của vật liệu PbTiO3 .................................................................... 5
1.3.1. Tính chất sắt điện................................................................................................ 5
1.3.2. Tính chất từ của vật liệu PbTiO3 ........................................................................ 6
1.3.3. Tính chất quang của vật liệu PbTiO3 ................................................................. 6
1.4. Ứng dụng của vật liệu PbTiO3............................................................................... 9
1.4.1. Chế tạo tụ điện .................................................................................................... 9
1.4.2. Bộ nhớ sắt điện ................................................................................................. 10
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO .......................................................... 11
1.5.1. Phương pháp Sol Gel ........................................................................................ 12
1.5.2. Phương pháp phún xạ sputtering ...................................................................... 15
1.5.3. Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE)..................................................... 16
1.5.4. Phương pháp lắng đọng bằng xung laser (PLD)............................................... 17
1.5.5. Phương pháp lắng đọng bằng xung điện tử (PED)........................................... 19
1.6. Tình hình nghiên cứu và tổng hợp PTO trong và ngoài nước............................. 21
Chương 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 25
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ................................................................................... 25
2.1.1. công cụ và thiết bị............................................................................................ 25
2.1.2. Hóa chất ............................................................................................................ 25
2.2. Phương pháp sol- gel chế tạo vật liệu................................................................. 25
2.3. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 26
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiiv
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 26
2.3.2. Phương pháp phổ Raman.................................................................................. 26
2.3.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .......................................... 27
2.3.4. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis .............................................................. 27
2.3.5. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)........................................................... 28
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 29
3.1. Vật liệu PTO pha tạp Mn..................................................................................... 29
3.1.1. Hình thái bề mặt của vật liệu ............................................................................ 29
3.1.2. Thành phần nguyên tố của vật liệu ................................................................... 30
3.1.3. Cấu trúc của vật liệu ......................................................................................... 32
3.1.4. Phổ UV-vis, năng lượng vùng cấm ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật
liệu............................................................................................................................... 35
3.2. Vật liệu PTO pha tạp Co...................................................................................... 40
3.2.1. Hình thái bề mặt của vật liệu ............................................................................ 40
3.2.2. Thành phần nguyên tố của vật liệu ................................................................... 42
3.2.3. Cấu trúc của vật liệu ......................................................................................... 43
3.2.4. Phổ UV-vis, năng lượng vùng cấm ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật
liệu............................................................................................................................... 46
KẾT LUẬN................................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 51
PHỤ LỤCiv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên tiếng việt Tên tiếng Anh Viết tắt
Kính hiển vi lực nguyên tử Atomic Force Microscope AFM
Bán dẫn oxit kim loại bù Complementary Metal
Oxide Semiconductor
CMOS
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động Dynamic Random Access
Memory
DRAM
Phổ tán sắc năng lượng tia X Energy-dispersive X-ray
spectroscopy
EDS
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt
điện
Ferroelectric Random
Access Memory
FRAM
Epitaxy chùm phân tử Molecular beam epitaxy MBE
Tụ điện gốm đa lớp Multilayer ceramic
capacitor
MLC
Bốc bay dùng xung điện tử Pulsed Electron Deposition PED
Bốc bay dùng laser xung Pulsed Laser Deposition PLD
Chì titanat Lead titaneat PTO
Thiết bị sóng âm bề mặt Surface Acoustic Wave SAW
Hiển vi điện tử quét bề mặt Scanning Electronic
Microscope
SEM
Quang phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet Visible
Spectroscopy
UV-Vis
Nhiễu xạ tia X X-ray Diffraction XRD
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số ưu, nhược điểm của phương pháp Sol Gel......................................14
Bảng 3.1. Kích thước hạt của mẫu PTO- xMn ............................................................33
Bảng 3.2. So sánh mode dao động phổ Raman của mẫu nghiên cứu với tính toán
lý thuyết và thực nghiệm khác..................................................................35
Bảng 3.3. Tính kích thước hạt PTO và PTO pha tạp Co từ XRD theo phương pháp
Scherrer.....................................................................................................44vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mô hình cấu trúc Perovskite ..........................................................................4
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của PTO theo nhiệt độ .......................................................5
Hình 1.3. Sơ đồ chuyển mức điện tử trong hấp thụ quang ............................................7
Hình 1.4. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng (EC là năng lượng cực tiểu của vùng
dẫn, EV là năng lượng cực đại của vùng hóa trị..........................................8
Hình 1.5. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên .................................................................9
Hình 1.6. Cấu trúc của (a) bộ nhớ Flash và (b) bộ nhớ FRAM...................................10
Hình 1.7. Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo được dải rộng các sản phẩm ..........12
Hình 1.8. Sơ đồ mô tả quá trình nhúng kéo.................................................................13
Hình 1.9. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ........................................15
Hình 1.10. Sơ đồ hệ lắng đọng bằng xung laser..........................................................17
Hình 1.11. Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng bằng xung laser ..................18
Hình 1.12. Sơ đồ kỹ thuật PED ...................................................................................20
Hình 3.1. Ảnh SEM của vật liệu: (a) PTO; (b) PTO+0.5% mol Mn; (c) PTO+1%
mol Mn; (d) PTO+3% mol Mn; (e) PTO+5% mol Mn; (f) PTO+7%
mol Mn; (g)PTO+9% mol Mn..................................................................29
Hình 3.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X của (a) PTO; (b) PTO+9% mol Mn..............31
Hình 3.3. (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của PTO như là hàm lượng pha tạp Mn và (b)
so sánh đỉnh nhiễu xạ (101) và (110) .......................................................32
Hình 3.4. Phổ Raman của PTO và PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác nhau..............34
Hình 3.5. Phổ UV-Vis của mẫu PTO và mẫu PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác nhau...37
Hình 3. 6.Cách xác định năng lượng vùng cấm của mẫu PTO và mẫu PTO pha tạp
Mn với các tỉ lệ khác nhau........................................................................38
Hình 3.7. Năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác
nhau ..........................................................................................................39
Hình 3.8. Ảnh SEM của vật liệu: (a)PTO; (b)PTO+0.5% mol Co; (c)PTO+1% mol
Co;(d)PTO+3% mol Co; (e)PTO+5% molCo; (f) PTO+7% mol Co;
(g) PTO+9%mol Co. ................................................................................41
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phivii
Hình 3.9. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu (a) PTO; (b) PTO+9% mol Co.......42
Hình 3.10. (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của PTO như là hàm của hàm lượng pha tạp
Co và (b) so sánh đỉnh nhiễu xạ (101) và (110). ......................................43
Hình 3.11. Phổ Raman của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ khác nhau.............45
Hình 3.12. Phổ UV-Vis của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ khác nhau ...........47
Hình 3.13. Cách xác định năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Co với
các tỉ lệ khác nhau. ...................................................................................48
Hình 3.14. Năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ
khác nhau .................................................................................................491
MỞ ĐẦU
Gần đây vật liệu dựa trên loại hợp chất vô cơ perovskite đang được tập trung
nghiên cứu bởi nhiều tính chất đặc biệt như tính chất điện từ, tính chất quang,
tính nhạy khí v.v. làm cho vật liệu trở nên hữu ích và ứng dụng trên nhiều lĩnh
vực như xử lý thông tin, làm các vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu, xử lý khí
thải môi trường cũng như các vật liệu thông minh được ứng dụng trong y sinh.
Với cấu trúc đặc biệt như trên vật liệu perovskite có nhiều tính chất thú vị.
Về tính chất điện có thể là điện môi, bán dẫn hay kim loại. Về tính chất từ, vật
liệu này có thể là sắt từ, phản sắt từ, thủy tinh spin hay siêu thuận từ.
Vật liệu mutiferroics sắt điện là vật liệu sở hữu đồng thời cả hai tính chất
sắt từ và sắt điện trong cùng một vật liêu. Tuy nhiên hai tính chất này thường có
xu hướng triệt tiêu nhau. Do đó, nhiều nghiên cứu đã và đang tổng hợp vật liệu
này trong phòng thí nghiệm dựa trên vật liệu sở hữu tính sắt điện mạnh bằng cách
pha tạp ion hay tạo composite với vật liệu sắt từ. PbTiO3 là một trong những
vật liệu sắt điện mạnh được lựa chọn. Hiện nay vật liệu mutiferroics dựa trên nền
PbTiO3 chủ yếu được chia thành hai hướng cơ bản. Thứ nhất, thay thế vị trí kim
loại chuyển tiếp vào vị trí Ti4+ nhằm tạo nên trật tự sắt từ đồng thời tạo nên hiệu
ứng điện từ trong vật liệu. Thứ hai, tạo vật liệu composite của PbTiO3 có tính sắt
từ mạnh. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu pha tạp kim loại chuyển tiếp còn hạn chế.
Hơn thế nữa, các nghiên cứu trên vật liệu PbTiO3, chỉ ra rằng vật liệu có khả
năng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện nhờ hiệu ứng điện khối. Các cặp điện
tử, lỗ trống không tái hợp mà di chuyển theo hai hướng khác nhau trong điện
trường của vách domain sinh ra hiệu điện thế trên 2 mặt tinh thể. Tuy nhiên độ
rộng của vùng cấm của vật liệu tương đối lớn (trên 3 eV), dẫn đến hiệu suất ánh
sáng Mặt Trời thấp. Do đó, sự pha tạp kim loại chuyển tiếp là cần thiết để thu
hẹp độ rộng vùng cấm. Trong luận văn này chúng tui nghiên cứu ảnh hưởng của
pha tạp đến đặc trưng cấu trúc vật liệu PbTiO3 và định hướng nghiên cứu tính
chất quang cho linh kiện chuyển đổi quang – điện (photovoltaic device).
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2
Dựa trên cơ sở đó chúng tui tiến hành thực hiện đề tài: “ Tổng hợp, nghiên cứu đặc
trưng cấu trúc và khảo sát tính chất quang điện của PbTiO3 pha tạp một số ion kim
loại chuyển tiếp”.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu PbTiO3
Một trong số các họ vật liệu đang dành được sự quan tâm nghiên cứu đặc
biệt vì hứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu rất cao của khoa học và công
nghệ hiện đại là vật liệu đa pha điện từ (multiferroics). Multiferroics là tên gọi3
những vật liệu đồng thời tồn tại cả hai trạng thái sắt điện và sắt từ trong cùng một
pha vật liệu. Các vật liệu multiferroics trong tự nhiên rất hiếm, đa số các vật liệu
multiferroics được biết đến hiện nay là vật liệu nhân tạo. Để tạo ra vật liệu
multiferroics, cách thứ nhất là đưa các tạp chất từ tính vào mạng tinh thể của vật
liệu sắt điện (cách làm này giống như cách tạo ra các chất bán dẫn từ pha loãng).
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, nhu cầu về những thiết
bị, vật liệu nhỏ gọn, hiệu suất cao cho cuộc sống hiện đại ngày càng tăng, đòi hỏi
các nhà khoa học phải nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệu mới có những
tính chất ưu việt để đáp ứng những nhu cầu đó. PbTiO3 là vật liệu thuộc họ
perovskite và nó mang những tính chất đặc trưng của vật liệu perovskite đặc biệt
là tính chất điện và tính chất từ [18].
Ngày nay, tính chất quang của vật liệu perovskite cũng đã được các nhà
khoa học quan tâm, đặc biệt là các hạt nano perovskite phát quang mạnh với tiềm
năng ứng dụng trong việc đánh dấu các phân tử sinh học, cảm biến sinh học, phát
hiện các tế bào ung thư. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất quang học của vật
liệu này đóng vai trò hết sức quan trọng.
1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu PbTiO3
Trong số các vật liệu có cả tính sắt điện và áp điện, các oxit có cấu trúc
perovskite chiếm một số lượng lớn và đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên
cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Perovskite là tên gọi chung của các vật
liệu có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của CaTiO3, với công thức cấu tạo
chung là ABO3, trong đó A, B là các ion dương có bán kính khác nhau, nhưng
thông thường bán kính ion dương A lớn hơn so với ion dương B. Cấu trúc của
perovskite là biến thể của cấu trúc lập phương với các ion dương A nằm ở đỉnh
của hình lập phương, có tâm là ion dương B. Ion dương B đồng thời cũng là tâm
bát diện tạo bởi các ion âm O2-. Ion O2- nằm ở trung tâm các mặt của ô đơn vị
(xem hình 1.1). Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác
như hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thể bởi các nguyên tố khác.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi4
Tùy thuộc nguyên tố B là chất nào mà sẽ có những họ khác nhau, như họ
manganite khi B = Mn, họ titanate khi B = Ti hay họ cobaltite khi B = Co. Còn
A thường là các nguyên tố như Bi, Pb, v.v
Hình 1. 1. Mô hình cấu trúc Perovskite
Cấu trúc tinh thể perovskite lập phương lí tưởng được thể hiện trên Hình
1.1 với cation B nằm ở vị trí tâm hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 1/2). Cation
A có bán kính lớn hơn cation B và nằm ở sáu đỉnh của hình lập phương (tọa độ
(0,0,0)). Các anion O2- nằm ở các tâm mặt hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 0),
(1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)) tạo thành một bát diện đều bao quanh cation B (vị trí
đối xứng bát diện BO6) và tạo thành hình hộp 14 mặt với tám mặt tam giác và
sáu mặt vuông bao quanh cation A. Tuy nhiên, các loại vật liệu perovskite là
rất đa dạng và thông thường bị méo mạng không còn ở cấu trúc lập phương [9].
Ở nhiệt độ cao, PTO có cấu trúc perovskite lập phương và là một chất thuận
điện. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha thuận điện - sắt điện (nhiệt độ
chuyển pha, trật tự điện, nhiệt độ Curie TC), cấu trúc tinh thể chuyển sang pha tứ
diện hay pha hình hộp mặt thoi (hình 1.2).5
Hình 1. 2. Cấu trúc tinh thể của PTO theo nhiệt độ
So với các vật liệu sắt điện khác, ví dụ như BaTiO3 thì PTO thể hiện tính
áp điện và sắt điện mạnh hơn (hằng số điện môi, hằng số áp điện thuận - nghịch,
độ phân cực dư, v.v lớn hơn). Do vậy, vật liệu PTO được nghiên cứu rộng rãi với
các khả năng ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực.
1.3. Tính chất cơ bản của vật liệu PbTiO3
Nhìn chung, tính chất vật lý của các oxit cấu trúc perovskite rất đa dạng, phụ
thuộc vào thành phần cấu tạo và thứ tự sắp xếp các ion dương. Chúng có thể là kim
loại, hay điện môi và thể hiện nhiều cấu trúc từ khác nhau như sắt từ, phản sắt từ,
v.v. Các vật liệu này cũng thể hiện tính sắt điện hay phản sắt điện. Một điều lý thú
trong các vật liệu oxit perovskite là tính chất của vật liệu có thể thay đổi đột biến
do chuyển pha về cấu trúc tinh thể khi thay đổi nhiệt độ.
Bên cạnh tính chất sắt điện, oxit perovskite còn thể hiện tính chất nhiệt điện
trở lớn. Bằng cách pha tạp các nguyên tố khác nhau vào các vị trí ion A và B,
người ta có thể thay đổi tính chất dẫn điện của vật liệu từ chất điện môi sang bán
dẫn. Ngoài ra, một số vật liệu oxit cấu trúc perovskite còn có tính siêu dẫn khi ở
nhiệt độ khoảng trên 100oK. Ở trạng thái sắt từ, một số vật liệu loại này còn thể
hiện hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng từ nhiệt hay trạng thái spin - glass ở nhiệt
độ thấp (là trạng thái mà các spin sắp xếp hỗn độn và bị đóng băng bởi quá trình
làm lạnh).
1.3.1. Tính chất sắt điện
PbTiO3 là chất sắt điện thể hiện tính nhiệt điện trở lớn. Nhưng khi ta
pha tạp thêm vào vật liệu này một số các ion của các kim loại chuyển tiếp thì
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi6
tính dẫn điện của PbTiO3 có thay đổi từ tính điện môi sang tính dẫn điện kiểu
bán dẫn. Vật liệu sắt điện đã được biết đến hơn một thế kỉ nay, nhưng phải đến
những năm 40, tính chất sắt điện mới được nghiên cứu đầy đủ trong cấu trúc
Perovskite của PbTiO3. Việc khảo sát cấu trúc Perovskite với số lượng nhỏ các
ion trong một ô cơ sở đem đến những kết quả để làm lý thuyết căn bản trong
việc giải thích các hiệu ứng sắt điện [12],[3].
1.3.2. Tính chất từ của vật liệu PbTiO3
Vật liệu PbTiO3 được tạo thành từ các cation kim loại Pb2+, Ti4+ và anion
O2- có cấu hình điện tử: Pb2+ ([Xe]4f145d106s26p2), Ti4+ ([Ar]3d04s0), O2-
(1s22s22p6). Với cấu hình lấp đầy các lớp vỏ bên trong như vậy, các ion này có
moment từ bằng 0, dẫn tới việc vật liệu PTO tinh khiết không có từ tính. Khi bị
từ hóa, vật liệu này thể hiện tính nghịch từ [13],[5],[16].
1.3.3. Tính chất quang của vật liệu PbTiO3
- Các cơ chế hấp thụ ánh sáng:
Một điện tử đang ở trạng thái cơ bản nhận được một năng lượng photon
thì nó sẽ chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, quá trình này
được gọi là hấp thụ ánh sáng. Quá trình hấp thụ ánh sáng liên quan đến sự chuyển
đổi năng lượng của photon sang các dạng năng lượng khác của tinh thể nên có
thể phân thành 5 cơ chế hấp thụ ánh sáng như sau: hấp thụ cơ bản; hấp thụ riêng;
hấp thụ exciton; hấp thụ do tạp chất; hấp thụ do hạt dẫn tự do; và hấp thụ do
phonon. Sơ đồ chuyển mức điện tử khi vật liệu hấp thụ ánh sáng theo 5 cơ chế
này được trình bày trên Hình 1.57
Hình 1.3. Sơ đồ chuyển mức điện tử trong hấp thụ quang
(1a) – Hấp thụ cơ bản (3), (3a), (3b), (3c), (4) – Hấp thụ do tạp chất
(2a) – Hấp thụ do hạt dẫn tự do (5), (5a) – Hấp thụ exciton
- Quá trình phát quang:
Quá trình phát quang là một quá trình có bản chất ngược lại với quá trình
hấp thụ. Điện tử được kích thích đến trạng thái năng lượng cao, nó luôn có xu
hướng phục hồi về trạng thái năng lượng thấp và giải phóng ra một năng lượng.
Năng lượng giải phóng trong quá trình tái hợp có thể thể hiện dưới dạng ánh sáng,
được gọi là tái hợp phát xạ.
Tái hợp vùng – vùng là quá trình tái hợp giữa điện tử tự do ở vùng dẫn và
lỗ trống tự do ở vùng hóa trị. Dựa vào đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của
vật liệu mà tái hợp vùng – vùng được chia làm hai loại: tái hợp chuyển mức thẳng
và tái hợp chuyển mức xiên.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi8
- Tái hợp chuyển mức thẳng
Chuyển mức thẳng là chuyển mức vùng - vùng xảy ra trong quá trình vật
liệu có đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn nằm trên cùng một véctơ sóng. Mô
hình tái hợp chuyển mức thẳng được mô tả như trên Hình 1.6.
Hình 1. 4. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng (EC là năng lượng cực tiểu của vùng
dẫn, EV là năng lượng cực đại của vùng hóa trị.
Khi điện tử hấp thụ một photon, nếu năng lượng của photon kích thích ≥
Eg
(độ rộng vùng cấm) thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn. Trong khi đó, ở vùng
hóa trị đồng thời xuất hiện một lỗ trống tương ứng và lỗ trống này có xu hướng
chuyển về đỉnh vùng hóa trị. Ở trong vùng dẫn, các điện tử có xu hướng chuyển
về đáy vùng dẫn. Thời gian hồi phục của điện tử và lỗ trống về đáy vùng dẫn và
đỉnh vùng hóa trị tương ứng là 10-14 đến 10-12 giây. Sau thời gian hồi phục, điện
tử và lỗ trống đã ở điểm cực trị của các vùng năng lượng, khi đó xảy ra quá trình
tái hợp giữa điện tử và lỗ trống.
- Tái hợp chuyển mức xiên
Khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị không nằm trên một vectơ sóng thì
chuyển mức trong vật liệu là chuyển mức xuyên. Sự tái hợp chuyển mực xiên
được biểu diễn trên Hình 1.7.9
Hình 1. 5. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên
Khi xảy ra quá trình tái hợp giữa điện tử ở đáy vùng dẫn và lỗ trống ở đỉnh
vùng hóa trị thì luôn kèm theo sự hấp thụ hay bức xạ phonon.
- Sự dập tắt huỳnh quang do nồng độ tạp chất
Sự dập tắt huỳnh quang là hiện tượng suy giảm cường độ huỳnh quang. Một
trong những nguyên nhân quan trọng gây ra sự dập tắt huỳnh quang là do tạp
chất. Khi pha tạp với nồng độ cao, xác suất truyền năng lượng tới các ion tạp bên
cạnh cao hơn xác suất phân rã phát xạ, do vậy các di chuyển kích thích ở trong
vật liệu có thể qua hàng triệu ion trước khi phát xạ, dẫn đếnviệc suy giảm cường
độ huỳnh quang.[10]
1.4. Ứng dụng của vật liệu PbTiO3
1.4.1. Chế tạo tụ điện
Gốm PTO có cấu trúc perovskite có thể cho giá trị hằng số điện môi cao
(15000) so với 5 hay 10 của vật liệu gốm và polyme thông thường. Việc chế
tạo tụ điện dạng đĩa từ gốm PbTiO3 có hằng số điện môi cao là đơn giản và chiếm
trên 50% thị trường tụ điện gốm.
Hiệu suất có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách sử dụng tụ điện gốm đa
lớp (MLC). Cấu trúc của tụ điện MLC bao gồm các lớp vật liệu điện môi và điện
cực xem kẽ nhau. Do tiến bộ của công nghệ, các lớp điện cực có thể được chế
tạo với chiều dày < 20m. Điều này kết hợp với việc sử dụng vật liệu gốm có hằng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi10
số điện môi cao như PTO cho phép chế tạo các tụ điện có kích thước nhỏ nhưng
giá trị điện dung rất lớn.
1.4.2. Bộ nhớ sắt điện
Các bộ nhớ bán dẫn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) và bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) đang được sử dụng phổ biến trên thị
trường hiện nay. Tuy nhiên các bộ nhớ này có nhược điểm là bị mất thông tin
lưu khi tắt nguồn nuôi. Một số bộ nhớ không tự xóa như các CMOS có hỗ trợ
pin và các bộ nhớ chỉ đọc có khả năng xóa bằng điện (EEPROM). Nhưng nói
chung các bộ nhớ không tự xóa này rất đắt. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện
(FRAM) có nhiều ưu điểm như: không tự xóa, tương thích với mạch CMOS và
GaAs, tốc độ đọc, ghi cao khoảng 30 ns và mật độ thông tin lớn (kích thước ô
nhớ 4m2). Hình 1.6 cho thấy cấu trúc thông thường của bộ nhớ flash và bộ nhớ
FRAM.
Vật liệu sắt điện có độ phân cực tự phát ở nhiệt độ thấp hơn TC nên độ lớn
và hướng của độ phân cực có thể được đảo chiều dưới tác dụng của điện trường
ngoài. Do đó, FRAM chế tạo từ màng mỏng sắt điện có thể được sử dụng để lưu
trữ dữ liệu. FRAM là bộ nhớ không tự xóa, trạng thái vẫn được duy trì khi tắt
nguồn nuôi. Bộ nhớ FRAM có thể sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt
như ngoài không gian [6].
Hình 1. 6. Cấu trúc của (a) bộ nhớ Flash và (b) bộ nhớ FRAM [2]11
Thông qua thay đổi thành phần cấu tạo và phương pháp lắng đọng, màng
mỏng PTO được sử dụng để chế tạo FRAM có đặc tính chuyển mạch trong phạm
vi rộng. Do đó, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, các quy trình, công nghệ chế
tạo được chọn phù hợp. Chiều dày màng mỏng nhỏ sẽ cực tiểu hóa năng lượng
trong quá trình chuyển mạch. Màng mỏng PTO với chiều dày ~ 200-300 nm có
thế chuyển mạch chỉ xấp xỉ 5V. Phần tiếp giáp giữa đế và màng mỏng PTO rất
nhỏ nên giảm sự hình thành vùng không sắt điện ở phần giáp ranh. Mặt khác, vật
liệu dùng để chế tạo điện cực dưới không được phản ứng với màng PTO ở nhiệt
độ cao trong quá trình chế tạo.
Để thiết bị đạt được hiệu suất cao, màng mỏng sắt điện cần đáp ứng được
các yêu cầu nhất định. Vật liệu chế tạo FRAM phải có độ phân cực dư lớn và lực
kháng điện nhỏ. Để đạt được điều này, vật liệu PTO và cấu trúc vi mô của màng
mỏng phải được tối ưu hóa. Một trong những nhược điểm cần khắc phục của bộ
nhớ sắt điện là xu hướng mất khả năng lưu trữ thông tin sau một số chu kỳ
đọc/ghi nhất định. Hiện tượng này gọi là sự già hóa. FRAM sử dụng màng mỏng
PTO có thể có tuổi thọ là 1012 chu kỳ nhưng nếu muốn FRAM có thể thay thế
hoàn toàn bộ nhớ bán dẫn thì độ bền phải đạt đến 1015 chu kỳ. Khoảng thời gian
một bộ nhớ sắt điện còn có thể lưu trữ thông tin đươc gọi là tuổi thọ của bộ nhớ.
FRAM có sự già hóa độ phân cực theo thời gian thấp và tuổi thọ của bộ nhớ có
thể ít nhất vài năm. Sự thay thế bộ nhớ bán dẫn bằng các thiết bị FRAM trong
tương lai có triển vọng rất sáng sủa. Để các thiết bị lưu trữ sắt điện trở nên đáng
tin cậy, việc chế tạo được màng mỏng PTO có thành phần tối ưu, vi cấu trúc và
tương tác với điện cực tốt cần được thực hiện.
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO
Vật liệu PTO được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm cả
phương pháp hoá học và phương pháp vật lý. Phần tiếp theo, luận văn sẽ trình
bày một số phương pháp chính chế tạo vật liệu PTO cũng như ưu nhược điểm
của từng phương pháp.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi12
1.5.1. Phương pháp Sol Gel
Phương pháp sol-gel là phương pháp tổng hợp các hạt huyền phù dạng keo
(sol) ổn định trong chất lỏng và sau đó qua quá trình chuyển hóa, sol được biến
tướng lỏng thành tổ chức mạng 3 chiều (gel). Phương pháp sol-gel thường được
sử dụng để chế tạo các vật liệu gốm và thuỷ tinh. Kỹ thuật này cho phép tạo ra
các hạt nano, màng mỏng, sợi gốm, các vật liệu bột dạng cầu, các màng vô cơ
xốp mịn, vật liệu khối, v.v (Hình 1.7).
Hình 1. 7. Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo được dải rộng các sản phẩm
Để tổng hợp vật liệu theo phương pháp này trước hết ta cần chế tạo sol trong
một chất lỏng bằng một trong hai cách:
- Phân tán chất rắn không tan từ cấp hạt lớn chuyển sang cấp hạt của sol
trong các máy xay keo;
- Dùng dung môi để thuỷ phân một tiền chất tạo thành dung dịch keo;
- Từ sol được xử lý hay để lâu dần thành gel.
- Đun nóng gel cho tạo thành sản phẩm.
Các màng mỏng có thể được chế tạo trên các đế bằng các phương pháp như
quay phủ (spin-coating), nhúng phủ (dip-coating) (hình 1.8). Ngoài ra còn có các13
kỹ thuật khác như phun phủ (spray-coating), cuốn phủ (roll - coating), capillary
- coating...
Hình 1. 8. Sơ đồ mô tả quá trình nhúng kéo
Phương pháp sol-gel thường dựa vào sự thủy phân và ngưng tụ ankolat kim
loại hay ankolat tiền chất định hướng cho các hạt oxit phân tán vào trong sol.
Sau đó sol được làm khô và ngưng tụ thành mạng không gian ba chiều gọi là gel.
Gel là tập hợp gồm pha rắn được bao quanh bởi dung môi. Nếu dung môi là nước
thì sol và gel tương ứng được gọi là aquasol và alcogel. Chất lỏng được bao bọc
trong gel có thể loại bỏ bằng cách làm bay hơi hay chiết siêu tới hạn. Sản phẩm
rắn thu được là xerogel và aerogel tương ứng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đồng nhất của sản phẩm là dung môi, nhiệt
độ, bản chất của precursor, pH, xúc tác, chất phụ gia. Dung môi có ảnh hưởng
đến động học quá trình, còn pH ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và ngưng tụ.
Có bốn bước quan trọng trong quá trình sol-gel: hình thành gel, làm già gel, khử
dung môi và cuối cùng là xử lí bằng nhiệt để thu được sản phẩm.
Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có thể
quy về ba hướng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ankolat và sol-gel tạo
phức. Trong 3 hướng này, thủy phân các muối được nghiên cứu sớm nhất,
phương pháp thủy phân các ankolat đã được nghiên cứu khá đầy đủ còn phương
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi14
pháp sol-gel tại phức hiện đang được nghiên cứu nhiều và đã được đưa vào thực
tế sản xuất [8].
Quá trình sol-gel thường liên quan đến những phân tử alkoxit kim loại mà
chúng sẽ bị thủy phân dưới những điều kiện được kiểm soát và ngay sau đó
những chất này phản ứng với nhau tạo ngưng tụ hình thành liên kết kim loại-oxikim loại. Các phương pháp tổng hợp sol-gel và đồng kết tủa tạo các ion kim loại
từ dung dịch dùng các chất ban đầu dạng hydroxit, xyanua, oxalat, cacbonat,
citrat, v.v. Các phần tử của các chất ban đầu trong dung dịch phân bố gần nhau
tạo môi trường phản ứng tốt cho quá trình hình thành sản phẩm, do đó cần nhiệt
độ tổng hợp thấp hơn so với các phương pháp truyền thống.
Bảng 1. 1. Một số ưu, nhược điểm của phương pháp Sol Gel
Ưu điểm Nhược điểm
- Có thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng
để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa
vật kim loại và màng.
- Có thể tạo màng dày cung cấp cho
quá trình chống sự ăn mòn.
- Có thể phun phủ lên các hình dạng
phức tạp.
- Có thể sản xuất được những sản
phảm có độ tinh khiết cao.
- Là phương pháp hiệu quả, kinh tế,
đơn giản để sản xuất màng có chất
lượng cao.
- Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình
thường.
- Sự liên kết trong màng yếu.
- Độ chống mài mòn yếu.
- Rất khó để điều khiển độ xốp.
- Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao.
- Chi phí cao đối với những vật liệu
thô.
- Hao hụt nhiều trong quá trình tạo
màng15
1.5.2. Phương pháp phún xạ sputtering
Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ là quá trình sử dụng các
ion năng lượng cao thường là các ion khí hiếm như Xe, Ar, Kr bắn phá bề mặt
bia vật liệu rắn để tạo ra các hơi nguyên tử, phân tử, ion (trạng thái plasma) và
lắng đọng các phần tử này lên đế, tạo thành màng (Hình 1.9). Các ion này được
gia tốc trong điện trường của điện áp một chiều với bia kim loại hay cao tần với
bia oxit để bắn phá bia vật liệu, bóc tách các nguyên tử của vật và chuyển sang
dạng hơi rồi lắng đọng trên đế để tạo thành màng. Năng lượng của các ion này,
không chỉ phụ thuộc vào điện tích, vào mức độ được gia tốc của nó trong điện
trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng. Do đó, không phải bất cứ khí nào cũng
sử dụng được trong quá trình phún xạ, và quá trình phún xạ bởi các điện tử không
đáng kể. Đây là một phương pháp được áp dụng để tạo các màng kim loại hợp
kim và một số vật liệu oxit
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PbTiO3 PHA TẠP MỘT SỐ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... iv
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH..................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 2
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu PbTiO3.............................................. 2
1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu PbTiO3 ................................................................. 3
1.3. Tính chất cơ bản của vật liệu PbTiO3 .................................................................... 5
1.3.1. Tính chất sắt điện................................................................................................ 5
1.3.2. Tính chất từ của vật liệu PbTiO3 ........................................................................ 6
1.3.3. Tính chất quang của vật liệu PbTiO3 ................................................................. 6
1.4. Ứng dụng của vật liệu PbTiO3............................................................................... 9
1.4.1. Chế tạo tụ điện .................................................................................................... 9
1.4.2. Bộ nhớ sắt điện ................................................................................................. 10
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO .......................................................... 11
1.5.1. Phương pháp Sol Gel ........................................................................................ 12
1.5.2. Phương pháp phún xạ sputtering ...................................................................... 15
1.5.3. Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE)..................................................... 16
1.5.4. Phương pháp lắng đọng bằng xung laser (PLD)............................................... 17
1.5.5. Phương pháp lắng đọng bằng xung điện tử (PED)........................................... 19
1.6. Tình hình nghiên cứu và tổng hợp PTO trong và ngoài nước............................. 21
Chương 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 25
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ................................................................................... 25
2.1.1. công cụ và thiết bị............................................................................................ 25
2.1.2. Hóa chất ............................................................................................................ 25
2.2. Phương pháp sol- gel chế tạo vật liệu................................................................. 25
2.3. Các phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 26
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiiv
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 26
2.3.2. Phương pháp phổ Raman.................................................................................. 26
2.3.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .......................................... 27
2.3.4. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis .............................................................. 27
2.3.5. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)........................................................... 28
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 29
3.1. Vật liệu PTO pha tạp Mn..................................................................................... 29
3.1.1. Hình thái bề mặt của vật liệu ............................................................................ 29
3.1.2. Thành phần nguyên tố của vật liệu ................................................................... 30
3.1.3. Cấu trúc của vật liệu ......................................................................................... 32
3.1.4. Phổ UV-vis, năng lượng vùng cấm ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật
liệu............................................................................................................................... 35
3.2. Vật liệu PTO pha tạp Co...................................................................................... 40
3.2.1. Hình thái bề mặt của vật liệu ............................................................................ 40
3.2.2. Thành phần nguyên tố của vật liệu ................................................................... 42
3.2.3. Cấu trúc của vật liệu ......................................................................................... 43
3.2.4. Phổ UV-vis, năng lượng vùng cấm ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật
liệu............................................................................................................................... 46
KẾT LUẬN................................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 51
PHỤ LỤCiv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên tiếng việt Tên tiếng Anh Viết tắt
Kính hiển vi lực nguyên tử Atomic Force Microscope AFM
Bán dẫn oxit kim loại bù Complementary Metal
Oxide Semiconductor
CMOS
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động Dynamic Random Access
Memory
DRAM
Phổ tán sắc năng lượng tia X Energy-dispersive X-ray
spectroscopy
EDS
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt
điện
Ferroelectric Random
Access Memory
FRAM
Epitaxy chùm phân tử Molecular beam epitaxy MBE
Tụ điện gốm đa lớp Multilayer ceramic
capacitor
MLC
Bốc bay dùng xung điện tử Pulsed Electron Deposition PED
Bốc bay dùng laser xung Pulsed Laser Deposition PLD
Chì titanat Lead titaneat PTO
Thiết bị sóng âm bề mặt Surface Acoustic Wave SAW
Hiển vi điện tử quét bề mặt Scanning Electronic
Microscope
SEM
Quang phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet Visible
Spectroscopy
UV-Vis
Nhiễu xạ tia X X-ray Diffraction XRD
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số ưu, nhược điểm của phương pháp Sol Gel......................................14
Bảng 3.1. Kích thước hạt của mẫu PTO- xMn ............................................................33
Bảng 3.2. So sánh mode dao động phổ Raman của mẫu nghiên cứu với tính toán
lý thuyết và thực nghiệm khác..................................................................35
Bảng 3.3. Tính kích thước hạt PTO và PTO pha tạp Co từ XRD theo phương pháp
Scherrer.....................................................................................................44vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mô hình cấu trúc Perovskite ..........................................................................4
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của PTO theo nhiệt độ .......................................................5
Hình 1.3. Sơ đồ chuyển mức điện tử trong hấp thụ quang ............................................7
Hình 1.4. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng (EC là năng lượng cực tiểu của vùng
dẫn, EV là năng lượng cực đại của vùng hóa trị..........................................8
Hình 1.5. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên .................................................................9
Hình 1.6. Cấu trúc của (a) bộ nhớ Flash và (b) bộ nhớ FRAM...................................10
Hình 1.7. Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo được dải rộng các sản phẩm ..........12
Hình 1.8. Sơ đồ mô tả quá trình nhúng kéo.................................................................13
Hình 1.9. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ........................................15
Hình 1.10. Sơ đồ hệ lắng đọng bằng xung laser..........................................................17
Hình 1.11. Các giai đoạn chính của quá trình lắng đọng bằng xung laser ..................18
Hình 1.12. Sơ đồ kỹ thuật PED ...................................................................................20
Hình 3.1. Ảnh SEM của vật liệu: (a) PTO; (b) PTO+0.5% mol Mn; (c) PTO+1%
mol Mn; (d) PTO+3% mol Mn; (e) PTO+5% mol Mn; (f) PTO+7%
mol Mn; (g)PTO+9% mol Mn..................................................................29
Hình 3.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X của (a) PTO; (b) PTO+9% mol Mn..............31
Hình 3.3. (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của PTO như là hàm lượng pha tạp Mn và (b)
so sánh đỉnh nhiễu xạ (101) và (110) .......................................................32
Hình 3.4. Phổ Raman của PTO và PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác nhau..............34
Hình 3.5. Phổ UV-Vis của mẫu PTO và mẫu PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác nhau...37
Hình 3. 6.Cách xác định năng lượng vùng cấm của mẫu PTO và mẫu PTO pha tạp
Mn với các tỉ lệ khác nhau........................................................................38
Hình 3.7. Năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Mn với các tỉ lệ khác
nhau ..........................................................................................................39
Hình 3.8. Ảnh SEM của vật liệu: (a)PTO; (b)PTO+0.5% mol Co; (c)PTO+1% mol
Co;(d)PTO+3% mol Co; (e)PTO+5% molCo; (f) PTO+7% mol Co;
(g) PTO+9%mol Co. ................................................................................41
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phivii
Hình 3.9. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu (a) PTO; (b) PTO+9% mol Co.......42
Hình 3.10. (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của PTO như là hàm của hàm lượng pha tạp
Co và (b) so sánh đỉnh nhiễu xạ (101) và (110). ......................................43
Hình 3.11. Phổ Raman của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ khác nhau.............45
Hình 3.12. Phổ UV-Vis của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ khác nhau ...........47
Hình 3.13. Cách xác định năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Co với
các tỉ lệ khác nhau. ...................................................................................48
Hình 3.14. Năng lượng vùng cấm của PTO và PTO pha tạp Co với các tỉ lệ
khác nhau .................................................................................................491
MỞ ĐẦU
Gần đây vật liệu dựa trên loại hợp chất vô cơ perovskite đang được tập trung
nghiên cứu bởi nhiều tính chất đặc biệt như tính chất điện từ, tính chất quang,
tính nhạy khí v.v. làm cho vật liệu trở nên hữu ích và ứng dụng trên nhiều lĩnh
vực như xử lý thông tin, làm các vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu, xử lý khí
thải môi trường cũng như các vật liệu thông minh được ứng dụng trong y sinh.
Với cấu trúc đặc biệt như trên vật liệu perovskite có nhiều tính chất thú vị.
Về tính chất điện có thể là điện môi, bán dẫn hay kim loại. Về tính chất từ, vật
liệu này có thể là sắt từ, phản sắt từ, thủy tinh spin hay siêu thuận từ.
Vật liệu mutiferroics sắt điện là vật liệu sở hữu đồng thời cả hai tính chất
sắt từ và sắt điện trong cùng một vật liêu. Tuy nhiên hai tính chất này thường có
xu hướng triệt tiêu nhau. Do đó, nhiều nghiên cứu đã và đang tổng hợp vật liệu
này trong phòng thí nghiệm dựa trên vật liệu sở hữu tính sắt điện mạnh bằng cách
pha tạp ion hay tạo composite với vật liệu sắt từ. PbTiO3 là một trong những
vật liệu sắt điện mạnh được lựa chọn. Hiện nay vật liệu mutiferroics dựa trên nền
PbTiO3 chủ yếu được chia thành hai hướng cơ bản. Thứ nhất, thay thế vị trí kim
loại chuyển tiếp vào vị trí Ti4+ nhằm tạo nên trật tự sắt từ đồng thời tạo nên hiệu
ứng điện từ trong vật liệu. Thứ hai, tạo vật liệu composite của PbTiO3 có tính sắt
từ mạnh. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu pha tạp kim loại chuyển tiếp còn hạn chế.
Hơn thế nữa, các nghiên cứu trên vật liệu PbTiO3, chỉ ra rằng vật liệu có khả
năng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện nhờ hiệu ứng điện khối. Các cặp điện
tử, lỗ trống không tái hợp mà di chuyển theo hai hướng khác nhau trong điện
trường của vách domain sinh ra hiệu điện thế trên 2 mặt tinh thể. Tuy nhiên độ
rộng của vùng cấm của vật liệu tương đối lớn (trên 3 eV), dẫn đến hiệu suất ánh
sáng Mặt Trời thấp. Do đó, sự pha tạp kim loại chuyển tiếp là cần thiết để thu
hẹp độ rộng vùng cấm. Trong luận văn này chúng tui nghiên cứu ảnh hưởng của
pha tạp đến đặc trưng cấu trúc vật liệu PbTiO3 và định hướng nghiên cứu tính
chất quang cho linh kiện chuyển đổi quang – điện (photovoltaic device).
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2
Dựa trên cơ sở đó chúng tui tiến hành thực hiện đề tài: “ Tổng hợp, nghiên cứu đặc
trưng cấu trúc và khảo sát tính chất quang điện của PbTiO3 pha tạp một số ion kim
loại chuyển tiếp”.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu PbTiO3
Một trong số các họ vật liệu đang dành được sự quan tâm nghiên cứu đặc
biệt vì hứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu rất cao của khoa học và công
nghệ hiện đại là vật liệu đa pha điện từ (multiferroics). Multiferroics là tên gọi3
những vật liệu đồng thời tồn tại cả hai trạng thái sắt điện và sắt từ trong cùng một
pha vật liệu. Các vật liệu multiferroics trong tự nhiên rất hiếm, đa số các vật liệu
multiferroics được biết đến hiện nay là vật liệu nhân tạo. Để tạo ra vật liệu
multiferroics, cách thứ nhất là đưa các tạp chất từ tính vào mạng tinh thể của vật
liệu sắt điện (cách làm này giống như cách tạo ra các chất bán dẫn từ pha loãng).
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, nhu cầu về những thiết
bị, vật liệu nhỏ gọn, hiệu suất cao cho cuộc sống hiện đại ngày càng tăng, đòi hỏi
các nhà khoa học phải nghiên cứu để tìm ra những loại vật liệu mới có những
tính chất ưu việt để đáp ứng những nhu cầu đó. PbTiO3 là vật liệu thuộc họ
perovskite và nó mang những tính chất đặc trưng của vật liệu perovskite đặc biệt
là tính chất điện và tính chất từ [18].
Ngày nay, tính chất quang của vật liệu perovskite cũng đã được các nhà
khoa học quan tâm, đặc biệt là các hạt nano perovskite phát quang mạnh với tiềm
năng ứng dụng trong việc đánh dấu các phân tử sinh học, cảm biến sinh học, phát
hiện các tế bào ung thư. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất quang học của vật
liệu này đóng vai trò hết sức quan trọng.
1.2. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu PbTiO3
Trong số các vật liệu có cả tính sắt điện và áp điện, các oxit có cấu trúc
perovskite chiếm một số lượng lớn và đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên
cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Perovskite là tên gọi chung của các vật
liệu có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc của CaTiO3, với công thức cấu tạo
chung là ABO3, trong đó A, B là các ion dương có bán kính khác nhau, nhưng
thông thường bán kính ion dương A lớn hơn so với ion dương B. Cấu trúc của
perovskite là biến thể của cấu trúc lập phương với các ion dương A nằm ở đỉnh
của hình lập phương, có tâm là ion dương B. Ion dương B đồng thời cũng là tâm
bát diện tạo bởi các ion âm O2-. Ion O2- nằm ở trung tâm các mặt của ô đơn vị
(xem hình 1.1). Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác
như hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thể bởi các nguyên tố khác.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi4
Tùy thuộc nguyên tố B là chất nào mà sẽ có những họ khác nhau, như họ
manganite khi B = Mn, họ titanate khi B = Ti hay họ cobaltite khi B = Co. Còn
A thường là các nguyên tố như Bi, Pb, v.v
Hình 1. 1. Mô hình cấu trúc Perovskite
Cấu trúc tinh thể perovskite lập phương lí tưởng được thể hiện trên Hình
1.1 với cation B nằm ở vị trí tâm hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 1/2). Cation
A có bán kính lớn hơn cation B và nằm ở sáu đỉnh của hình lập phương (tọa độ
(0,0,0)). Các anion O2- nằm ở các tâm mặt hình lập phương (tọa độ (1/2, 1/2, 0),
(1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)) tạo thành một bát diện đều bao quanh cation B (vị trí
đối xứng bát diện BO6) và tạo thành hình hộp 14 mặt với tám mặt tam giác và
sáu mặt vuông bao quanh cation A. Tuy nhiên, các loại vật liệu perovskite là
rất đa dạng và thông thường bị méo mạng không còn ở cấu trúc lập phương [9].
Ở nhiệt độ cao, PTO có cấu trúc perovskite lập phương và là một chất thuận
điện. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha thuận điện - sắt điện (nhiệt độ
chuyển pha, trật tự điện, nhiệt độ Curie TC), cấu trúc tinh thể chuyển sang pha tứ
diện hay pha hình hộp mặt thoi (hình 1.2).5
Hình 1. 2. Cấu trúc tinh thể của PTO theo nhiệt độ
So với các vật liệu sắt điện khác, ví dụ như BaTiO3 thì PTO thể hiện tính
áp điện và sắt điện mạnh hơn (hằng số điện môi, hằng số áp điện thuận - nghịch,
độ phân cực dư, v.v lớn hơn). Do vậy, vật liệu PTO được nghiên cứu rộng rãi với
các khả năng ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực.
1.3. Tính chất cơ bản của vật liệu PbTiO3
Nhìn chung, tính chất vật lý của các oxit cấu trúc perovskite rất đa dạng, phụ
thuộc vào thành phần cấu tạo và thứ tự sắp xếp các ion dương. Chúng có thể là kim
loại, hay điện môi và thể hiện nhiều cấu trúc từ khác nhau như sắt từ, phản sắt từ,
v.v. Các vật liệu này cũng thể hiện tính sắt điện hay phản sắt điện. Một điều lý thú
trong các vật liệu oxit perovskite là tính chất của vật liệu có thể thay đổi đột biến
do chuyển pha về cấu trúc tinh thể khi thay đổi nhiệt độ.
Bên cạnh tính chất sắt điện, oxit perovskite còn thể hiện tính chất nhiệt điện
trở lớn. Bằng cách pha tạp các nguyên tố khác nhau vào các vị trí ion A và B,
người ta có thể thay đổi tính chất dẫn điện của vật liệu từ chất điện môi sang bán
dẫn. Ngoài ra, một số vật liệu oxit cấu trúc perovskite còn có tính siêu dẫn khi ở
nhiệt độ khoảng trên 100oK. Ở trạng thái sắt từ, một số vật liệu loại này còn thể
hiện hiệu ứng từ điện trở, hiệu ứng từ nhiệt hay trạng thái spin - glass ở nhiệt
độ thấp (là trạng thái mà các spin sắp xếp hỗn độn và bị đóng băng bởi quá trình
làm lạnh).
1.3.1. Tính chất sắt điện
PbTiO3 là chất sắt điện thể hiện tính nhiệt điện trở lớn. Nhưng khi ta
pha tạp thêm vào vật liệu này một số các ion của các kim loại chuyển tiếp thì
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi6
tính dẫn điện của PbTiO3 có thay đổi từ tính điện môi sang tính dẫn điện kiểu
bán dẫn. Vật liệu sắt điện đã được biết đến hơn một thế kỉ nay, nhưng phải đến
những năm 40, tính chất sắt điện mới được nghiên cứu đầy đủ trong cấu trúc
Perovskite của PbTiO3. Việc khảo sát cấu trúc Perovskite với số lượng nhỏ các
ion trong một ô cơ sở đem đến những kết quả để làm lý thuyết căn bản trong
việc giải thích các hiệu ứng sắt điện [12],[3].
1.3.2. Tính chất từ của vật liệu PbTiO3
Vật liệu PbTiO3 được tạo thành từ các cation kim loại Pb2+, Ti4+ và anion
O2- có cấu hình điện tử: Pb2+ ([Xe]4f145d106s26p2), Ti4+ ([Ar]3d04s0), O2-
(1s22s22p6). Với cấu hình lấp đầy các lớp vỏ bên trong như vậy, các ion này có
moment từ bằng 0, dẫn tới việc vật liệu PTO tinh khiết không có từ tính. Khi bị
từ hóa, vật liệu này thể hiện tính nghịch từ [13],[5],[16].
1.3.3. Tính chất quang của vật liệu PbTiO3
- Các cơ chế hấp thụ ánh sáng:
Một điện tử đang ở trạng thái cơ bản nhận được một năng lượng photon
thì nó sẽ chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, quá trình này
được gọi là hấp thụ ánh sáng. Quá trình hấp thụ ánh sáng liên quan đến sự chuyển
đổi năng lượng của photon sang các dạng năng lượng khác của tinh thể nên có
thể phân thành 5 cơ chế hấp thụ ánh sáng như sau: hấp thụ cơ bản; hấp thụ riêng;
hấp thụ exciton; hấp thụ do tạp chất; hấp thụ do hạt dẫn tự do; và hấp thụ do
phonon. Sơ đồ chuyển mức điện tử khi vật liệu hấp thụ ánh sáng theo 5 cơ chế
này được trình bày trên Hình 1.57
Hình 1.3. Sơ đồ chuyển mức điện tử trong hấp thụ quang
(1a) – Hấp thụ cơ bản (3), (3a), (3b), (3c), (4) – Hấp thụ do tạp chất
(2a) – Hấp thụ do hạt dẫn tự do (5), (5a) – Hấp thụ exciton
- Quá trình phát quang:
Quá trình phát quang là một quá trình có bản chất ngược lại với quá trình
hấp thụ. Điện tử được kích thích đến trạng thái năng lượng cao, nó luôn có xu
hướng phục hồi về trạng thái năng lượng thấp và giải phóng ra một năng lượng.
Năng lượng giải phóng trong quá trình tái hợp có thể thể hiện dưới dạng ánh sáng,
được gọi là tái hợp phát xạ.
Tái hợp vùng – vùng là quá trình tái hợp giữa điện tử tự do ở vùng dẫn và
lỗ trống tự do ở vùng hóa trị. Dựa vào đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của
vật liệu mà tái hợp vùng – vùng được chia làm hai loại: tái hợp chuyển mức thẳng
và tái hợp chuyển mức xiên.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi8
- Tái hợp chuyển mức thẳng
Chuyển mức thẳng là chuyển mức vùng - vùng xảy ra trong quá trình vật
liệu có đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn nằm trên cùng một véctơ sóng. Mô
hình tái hợp chuyển mức thẳng được mô tả như trên Hình 1.6.
Hình 1. 4. Mô hình tái hợp chuyển mức thẳng (EC là năng lượng cực tiểu của vùng
dẫn, EV là năng lượng cực đại của vùng hóa trị.
Khi điện tử hấp thụ một photon, nếu năng lượng của photon kích thích ≥
Eg
(độ rộng vùng cấm) thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn. Trong khi đó, ở vùng
hóa trị đồng thời xuất hiện một lỗ trống tương ứng và lỗ trống này có xu hướng
chuyển về đỉnh vùng hóa trị. Ở trong vùng dẫn, các điện tử có xu hướng chuyển
về đáy vùng dẫn. Thời gian hồi phục của điện tử và lỗ trống về đáy vùng dẫn và
đỉnh vùng hóa trị tương ứng là 10-14 đến 10-12 giây. Sau thời gian hồi phục, điện
tử và lỗ trống đã ở điểm cực trị của các vùng năng lượng, khi đó xảy ra quá trình
tái hợp giữa điện tử và lỗ trống.
- Tái hợp chuyển mức xiên
Khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị không nằm trên một vectơ sóng thì
chuyển mức trong vật liệu là chuyển mức xuyên. Sự tái hợp chuyển mực xiên
được biểu diễn trên Hình 1.7.9
Hình 1. 5. Mô hình tái hợp chuyển mức xiên
Khi xảy ra quá trình tái hợp giữa điện tử ở đáy vùng dẫn và lỗ trống ở đỉnh
vùng hóa trị thì luôn kèm theo sự hấp thụ hay bức xạ phonon.
- Sự dập tắt huỳnh quang do nồng độ tạp chất
Sự dập tắt huỳnh quang là hiện tượng suy giảm cường độ huỳnh quang. Một
trong những nguyên nhân quan trọng gây ra sự dập tắt huỳnh quang là do tạp
chất. Khi pha tạp với nồng độ cao, xác suất truyền năng lượng tới các ion tạp bên
cạnh cao hơn xác suất phân rã phát xạ, do vậy các di chuyển kích thích ở trong
vật liệu có thể qua hàng triệu ion trước khi phát xạ, dẫn đếnviệc suy giảm cường
độ huỳnh quang.[10]
1.4. Ứng dụng của vật liệu PbTiO3
1.4.1. Chế tạo tụ điện
Gốm PTO có cấu trúc perovskite có thể cho giá trị hằng số điện môi cao
(15000) so với 5 hay 10 của vật liệu gốm và polyme thông thường. Việc chế
tạo tụ điện dạng đĩa từ gốm PbTiO3 có hằng số điện môi cao là đơn giản và chiếm
trên 50% thị trường tụ điện gốm.
Hiệu suất có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách sử dụng tụ điện gốm đa
lớp (MLC). Cấu trúc của tụ điện MLC bao gồm các lớp vật liệu điện môi và điện
cực xem kẽ nhau. Do tiến bộ của công nghệ, các lớp điện cực có thể được chế
tạo với chiều dày < 20m. Điều này kết hợp với việc sử dụng vật liệu gốm có hằng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi10
số điện môi cao như PTO cho phép chế tạo các tụ điện có kích thước nhỏ nhưng
giá trị điện dung rất lớn.
1.4.2. Bộ nhớ sắt điện
Các bộ nhớ bán dẫn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) và bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) đang được sử dụng phổ biến trên thị
trường hiện nay. Tuy nhiên các bộ nhớ này có nhược điểm là bị mất thông tin
lưu khi tắt nguồn nuôi. Một số bộ nhớ không tự xóa như các CMOS có hỗ trợ
pin và các bộ nhớ chỉ đọc có khả năng xóa bằng điện (EEPROM). Nhưng nói
chung các bộ nhớ không tự xóa này rất đắt. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện
(FRAM) có nhiều ưu điểm như: không tự xóa, tương thích với mạch CMOS và
GaAs, tốc độ đọc, ghi cao khoảng 30 ns và mật độ thông tin lớn (kích thước ô
nhớ 4m2). Hình 1.6 cho thấy cấu trúc thông thường của bộ nhớ flash và bộ nhớ
FRAM.
Vật liệu sắt điện có độ phân cực tự phát ở nhiệt độ thấp hơn TC nên độ lớn
và hướng của độ phân cực có thể được đảo chiều dưới tác dụng của điện trường
ngoài. Do đó, FRAM chế tạo từ màng mỏng sắt điện có thể được sử dụng để lưu
trữ dữ liệu. FRAM là bộ nhớ không tự xóa, trạng thái vẫn được duy trì khi tắt
nguồn nuôi. Bộ nhớ FRAM có thể sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt
như ngoài không gian [6].
Hình 1. 6. Cấu trúc của (a) bộ nhớ Flash và (b) bộ nhớ FRAM [2]11
Thông qua thay đổi thành phần cấu tạo và phương pháp lắng đọng, màng
mỏng PTO được sử dụng để chế tạo FRAM có đặc tính chuyển mạch trong phạm
vi rộng. Do đó, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, các quy trình, công nghệ chế
tạo được chọn phù hợp. Chiều dày màng mỏng nhỏ sẽ cực tiểu hóa năng lượng
trong quá trình chuyển mạch. Màng mỏng PTO với chiều dày ~ 200-300 nm có
thế chuyển mạch chỉ xấp xỉ 5V. Phần tiếp giáp giữa đế và màng mỏng PTO rất
nhỏ nên giảm sự hình thành vùng không sắt điện ở phần giáp ranh. Mặt khác, vật
liệu dùng để chế tạo điện cực dưới không được phản ứng với màng PTO ở nhiệt
độ cao trong quá trình chế tạo.
Để thiết bị đạt được hiệu suất cao, màng mỏng sắt điện cần đáp ứng được
các yêu cầu nhất định. Vật liệu chế tạo FRAM phải có độ phân cực dư lớn và lực
kháng điện nhỏ. Để đạt được điều này, vật liệu PTO và cấu trúc vi mô của màng
mỏng phải được tối ưu hóa. Một trong những nhược điểm cần khắc phục của bộ
nhớ sắt điện là xu hướng mất khả năng lưu trữ thông tin sau một số chu kỳ
đọc/ghi nhất định. Hiện tượng này gọi là sự già hóa. FRAM sử dụng màng mỏng
PTO có thể có tuổi thọ là 1012 chu kỳ nhưng nếu muốn FRAM có thể thay thế
hoàn toàn bộ nhớ bán dẫn thì độ bền phải đạt đến 1015 chu kỳ. Khoảng thời gian
một bộ nhớ sắt điện còn có thể lưu trữ thông tin đươc gọi là tuổi thọ của bộ nhớ.
FRAM có sự già hóa độ phân cực theo thời gian thấp và tuổi thọ của bộ nhớ có
thể ít nhất vài năm. Sự thay thế bộ nhớ bán dẫn bằng các thiết bị FRAM trong
tương lai có triển vọng rất sáng sủa. Để các thiết bị lưu trữ sắt điện trở nên đáng
tin cậy, việc chế tạo được màng mỏng PTO có thành phần tối ưu, vi cấu trúc và
tương tác với điện cực tốt cần được thực hiện.
1.5. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PTO
Vật liệu PTO được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm cả
phương pháp hoá học và phương pháp vật lý. Phần tiếp theo, luận văn sẽ trình
bày một số phương pháp chính chế tạo vật liệu PTO cũng như ưu nhược điểm
của từng phương pháp.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi12
1.5.1. Phương pháp Sol Gel
Phương pháp sol-gel là phương pháp tổng hợp các hạt huyền phù dạng keo
(sol) ổn định trong chất lỏng và sau đó qua quá trình chuyển hóa, sol được biến
tướng lỏng thành tổ chức mạng 3 chiều (gel). Phương pháp sol-gel thường được
sử dụng để chế tạo các vật liệu gốm và thuỷ tinh. Kỹ thuật này cho phép tạo ra
các hạt nano, màng mỏng, sợi gốm, các vật liệu bột dạng cầu, các màng vô cơ
xốp mịn, vật liệu khối, v.v (Hình 1.7).
Hình 1. 7. Phương pháp sol-gel cho phép chế tạo được dải rộng các sản phẩm
Để tổng hợp vật liệu theo phương pháp này trước hết ta cần chế tạo sol trong
một chất lỏng bằng một trong hai cách:
- Phân tán chất rắn không tan từ cấp hạt lớn chuyển sang cấp hạt của sol
trong các máy xay keo;
- Dùng dung môi để thuỷ phân một tiền chất tạo thành dung dịch keo;
- Từ sol được xử lý hay để lâu dần thành gel.
- Đun nóng gel cho tạo thành sản phẩm.
Các màng mỏng có thể được chế tạo trên các đế bằng các phương pháp như
quay phủ (spin-coating), nhúng phủ (dip-coating) (hình 1.8). Ngoài ra còn có các13
kỹ thuật khác như phun phủ (spray-coating), cuốn phủ (roll - coating), capillary
- coating...
Hình 1. 8. Sơ đồ mô tả quá trình nhúng kéo
Phương pháp sol-gel thường dựa vào sự thủy phân và ngưng tụ ankolat kim
loại hay ankolat tiền chất định hướng cho các hạt oxit phân tán vào trong sol.
Sau đó sol được làm khô và ngưng tụ thành mạng không gian ba chiều gọi là gel.
Gel là tập hợp gồm pha rắn được bao quanh bởi dung môi. Nếu dung môi là nước
thì sol và gel tương ứng được gọi là aquasol và alcogel. Chất lỏng được bao bọc
trong gel có thể loại bỏ bằng cách làm bay hơi hay chiết siêu tới hạn. Sản phẩm
rắn thu được là xerogel và aerogel tương ứng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đồng nhất của sản phẩm là dung môi, nhiệt
độ, bản chất của precursor, pH, xúc tác, chất phụ gia. Dung môi có ảnh hưởng
đến động học quá trình, còn pH ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và ngưng tụ.
Có bốn bước quan trọng trong quá trình sol-gel: hình thành gel, làm già gel, khử
dung môi và cuối cùng là xử lí bằng nhiệt để thu được sản phẩm.
Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có thể
quy về ba hướng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ankolat và sol-gel tạo
phức. Trong 3 hướng này, thủy phân các muối được nghiên cứu sớm nhất,
phương pháp thủy phân các ankolat đã được nghiên cứu khá đầy đủ còn phương
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi14
pháp sol-gel tại phức hiện đang được nghiên cứu nhiều và đã được đưa vào thực
tế sản xuất [8].
Quá trình sol-gel thường liên quan đến những phân tử alkoxit kim loại mà
chúng sẽ bị thủy phân dưới những điều kiện được kiểm soát và ngay sau đó
những chất này phản ứng với nhau tạo ngưng tụ hình thành liên kết kim loại-oxikim loại. Các phương pháp tổng hợp sol-gel và đồng kết tủa tạo các ion kim loại
từ dung dịch dùng các chất ban đầu dạng hydroxit, xyanua, oxalat, cacbonat,
citrat, v.v. Các phần tử của các chất ban đầu trong dung dịch phân bố gần nhau
tạo môi trường phản ứng tốt cho quá trình hình thành sản phẩm, do đó cần nhiệt
độ tổng hợp thấp hơn so với các phương pháp truyền thống.
Bảng 1. 1. Một số ưu, nhược điểm của phương pháp Sol Gel
Ưu điểm Nhược điểm
- Có thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng
để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa
vật kim loại và màng.
- Có thể tạo màng dày cung cấp cho
quá trình chống sự ăn mòn.
- Có thể phun phủ lên các hình dạng
phức tạp.
- Có thể sản xuất được những sản
phảm có độ tinh khiết cao.
- Là phương pháp hiệu quả, kinh tế,
đơn giản để sản xuất màng có chất
lượng cao.
- Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình
thường.
- Sự liên kết trong màng yếu.
- Độ chống mài mòn yếu.
- Rất khó để điều khiển độ xốp.
- Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao.
- Chi phí cao đối với những vật liệu
thô.
- Hao hụt nhiều trong quá trình tạo
màng15
1.5.2. Phương pháp phún xạ sputtering
Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ là quá trình sử dụng các
ion năng lượng cao thường là các ion khí hiếm như Xe, Ar, Kr bắn phá bề mặt
bia vật liệu rắn để tạo ra các hơi nguyên tử, phân tử, ion (trạng thái plasma) và
lắng đọng các phần tử này lên đế, tạo thành màng (Hình 1.9). Các ion này được
gia tốc trong điện trường của điện áp một chiều với bia kim loại hay cao tần với
bia oxit để bắn phá bia vật liệu, bóc tách các nguyên tử của vật và chuyển sang
dạng hơi rồi lắng đọng trên đế để tạo thành màng. Năng lượng của các ion này,
không chỉ phụ thuộc vào điện tích, vào mức độ được gia tốc của nó trong điện
trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng. Do đó, không phải bất cứ khí nào cũng
sử dụng được trong quá trình phún xạ, và quá trình phún xạ bởi các điện tử không
đáng kể. Đây là một phương pháp được áp dụng để tạo các màng kim loại hợp
kim và một số vật liệu oxit
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links