Tiến Sĩ Nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở PZT và các vật liệu s

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6
1.1 Cấu trúc perovskite ABO3 6
1.2. Đặc trưng sắt điện thông thường . 8
1.2.1. Hiện tượng tồn tại phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện 8
1.2.2. Nhiệt độ Curie và sự chuyển pha 10
1.2.3. Đường trễ sắt điện 12
1.2.4. Cấu trúc đômen sắt điện 16
1.3. Đặc trưng sắt điện chuyển pha nhòe . 18
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu gốm áp điện trên cơ sở PZT 24
1.4.1. Vật liệu PZT pha tạp đơn 24
1.4.2. Vật liệu PZT pha tạp phức 27
1.5. Phổ tán xạ Raman 31
1.6. Kết luận chương 1 . 33
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VẬT LIỆU, CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC
CỦA HỆ GỐM PZT – PZN – PMnN 34
2.1. Tổng hợp hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN . 34
2.2. Cấu trúc và vi cấu trúc của hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN 41
2.2.1. Cấu trúc và vi cấu trúc của nhóm vật liệu MP 41
2.2.2. Cấu trúc và vi cấu trúc của nhóm vật liệu MZ 44
2.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu . 49
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện môi 49
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất áp điện . 51 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất sắt điện 55
2.4. Kết luận chương 2 57


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, SẮT ĐIỆN VÀ
ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN 58
3.1. Tính chất điện môi của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 59
3.1.1. Hằng số điện môi của các nhóm mẫu MP, MZ ở nhiệt độ phòng . 59
3.1.2. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệt độ . 60
3.1.3. Sự phụ thuộc của tính chất điện môi vào tần số của trường ngoài . 64
3.2. Tính chất sắt điện của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 68
3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ PZT và tỷ số Zr/Ti đến tính chất sắt điện của hệ vật liệu
PZT – PZN – PMnN tại nhiệt độ phòng . 68
3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất sắt điện của hệ vật liệu PZT – PZN –PMnN 70
3.3. Tính chất áp điện của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 73
3.4. Kết luận chương 3 . 79
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Fe2O3, CuO ĐẾN CÁC
TÍNH CHẤT CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN . 81

4.1. Ảnh hưởng của Fe2O3 đếncấu trúc, vi cấu trúc của hệ gốm PZT-PZN-PMnN
4.1.1. Ảnh hưởng của Fe2O3 đếnchất điện môi của hệ gốm PZT-PZN-PMnN
4.1.2. Ảnh hưởng của Fe2O3 đến tính chất áp điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN
4.1.3. Ảnh hưởng của Fe2O3 đếncác tính chất sắt điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN
4.1.4. Ảnh hưởng của Fe2O3 đếncác tính chất của hệ gốm PZT-PZN-PMnN
4.2. Ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết và các tính chất điện của hệ gốm
PZT–PZN–PMnN . 96
4.2.1. Ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết của hệ gốm PZT–PZN–PMnN 96
4.2.2 Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện của hệ gốm PZTPZNPMnN 101 4.3. Thử nghiệm chế tạo máy rửa siêu âm trên cơ sở biến tử áp điện PZT-PZNPMnN 112
4.4. Kết luận chương 4 . 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

MỞ ĐẦU
Đã hơn 50 năm nay, vật liệu sắt điện là một vật liệu quan trọng được các
nhà khoa học vật liệu trên thế giới chú trọng nghiên cứu cả cơ bản lẫn ứng
dụng. Nguyên nhân là do trong chúng tồn tại nhiều hiệu ứng vật lý quan trọng
như: hiệu ứng sắt điện, áp điện, quang điện, quang phi tuyến, hỏa điện, v.v.
Các vật liệu này có khả năng ứng dụng để chế tạo các loại tụ điện, các bộ nhớ
dung lượng lớn, biến tử siêu âm công suất nhỏ, vừa và cao dùng trong y học,
sinh học, hóa học, dược học, biến thế áp điện [3], [5], [35], [36], [81].
Vật liệu chính và quan trọng nhất trong các ứng dụng thường có cấu trúc
perovskite ABO3. Đó là các hệ dung dịch rắn hai thành phần PbTiO3– PbZrO3
(PZT), PZT pha các loại tạp mềm, cứng khác nhau như La, Ce, Nd,Nb, Ta, và Mn,
Fe, Cr, Sb, In Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng: khi pha một số tạp chất vào vật liệu có cấu trúc perovskite ABO
thì ta sẽ thu được vậtliệu perovskite có cấu trúc phức hợp (A’A’’ An’)BO3 hay A(B’B’’ B,
đồng thời các tính chất sắt điện, áp điện hoàn toàn thay đổi theo hướng có lợi
[3], [5], [16], [18], [30], [31], [37], [56], [57], [76], [79]. Vật liệu có cấu trúc
phức nói trên gọi là vật liệu sắt điện relaxor (relaxor ferroelectric). Các đặc
trưng của vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe là hằng số điện môi lớn, vùng
dịch chuyển pha sắt điện-thuận điện mở rộng trong một khoảng nhiệt độ nên thường được gọi là chuyển pha nhòe (diffuse phase transition, DPT). Các tính
chất điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số của trường ngoài, tức có sự hồi phục
điện môi (dielectric relaxation). Ngoài ra ở trên nhiệt độ Curie vài chục độ
vẫn còn có phân cực tự phát và đường trễ [5], [58], [81].
Gần đây, các nhà khoa học vật liệu trên thế giới chú trọng nghiên cứu và ứng dụng các hệ vật liệu đa thành phầ
n, đặc biệt là các nhóm vật liệu kết hợp n’)O3giữa PZT và các sắt điện chuyển pha nhòe như: Pb(Zr,Ti)O