Luận án Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (x = 0 ÷ 12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La

TRANG THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN

Tên luận án: Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr, Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)0] (x=0+12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã số chuyên ngành: 62440123

Họ và tên nghiên cứu sinh: THÂN TRỌNG HUY

Khóa đào tạo: 2005

Người hướng dẫn:

1) PGS. TS. Lê Vân Hồng – Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2) TS. Trương Văn Chương – Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế.

Tên cơ sở đào tạo: Viện Khoa học Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

1. Những đóng góp mới về học thuật

Về nghiên cứu cơ bản

Chế tạo gồm Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) với thành phần cận biên pha hình thái, Pb(Mn1/3Nb2/3) O3 (PMnN) và các dung dịch rắn: PZT-PMnN, PZT-PMnN pha tạp La có độ ổn định thành phần và tính áp điện tốt.

– Xác định mối quan hệ giữa công nghệ chế tạo với các thông số cấu trúc, vì cấu trúc của vật liệu đã chế tạo được.

Nghiên cứu quá trình chuyển pha; trễ sắt điện; tính chất sắt điện và áp điện của các vật liệu PZT-PMnN và PZT-PMnN pha tạp La.

– Giải thích định tính, định lượng, mô hình hoá kết quả thực nghiệm.

Về nghiên cứu triển khai ứng dụng

– Đưa ra hệ gồm áp điện mới: PZT-PMnN và PZT-PMnN pha tạp La.

– Nghiên cứu chế tạo các biến từ siêu âm công suất và chế tạo máy rửa siêu âm dùng cho phòng thí nghiệm.

– Sử dụng máy rửa siêu âm công suất 100W trong chế tạo vật liệu na-nô.

2. Những đóng góp mới về lý luận

– Vật liệu gồm PZT – PMnN chế tạo bằng phương pháp co-lum-bit (columbite) có chế độ thiêu kết tối ưu ở nhiệt độ 1150°C trong 2 giờ 15 phút. Gốm có chất lượng tốt và ổn định. Khối lượng riêng của vật liệu đạt trên 95% khối lượng riêng lý thuyết. Nhiệt độ thiêu kết này là thấp hơn so với nhiều công trình đã công bố trước đó.

Phân tích XRD và ảnh SEM cho thấy vật liệu có cấu trúc đơn pha pe-rov-skit (perovskite) không có pha py-ro-clo (pyrochlore). Khẳng định ưu thế của phương pháp co-lum-bit trong việc chế tạo gồm nhiều thành phần, đặc biệt là gồm có chứa các pe-rov-skit phức hợp.

Ảnh hưởng của các tạp Mn và Nb tôi tính chất sắt điện và áp điện của gốm

Mặc dù hỗn hợp được gọi là PZT – PMnN nhưng kết quả phân tích không thể hiện rõ nét sự tồn tại của pha PMnN. Việc giải thích về sự biến đổi tính chất của vật liệu, dựa trên cơ sở cho rằng bản chất vật liệu là PZT pha tạp đồng thời hai tạp Mn và Nb với tỷ lệ 1:2 (Mn:Nb).

Trong các vật liệu sử dụng trong các ứng dụng công suất, thông số quan trọng nhất là tốc độ dao động v, mà nó tỷ lệ với hệ số liên kết điện cơ k, và độ phẩm chất cơ Q nên ta phải tìm cách nâng cao các hệ số này.

Tính chất sắt điện và áp điện của gồm đạt giá trị tối ưu ở thành phần với 7% mol PMnN. Trong PZT, Mn đóng vai trò tạp cứng làm tăng độ phẩm chất cơ Q, nhưng giới hạn hòa tan của nó trong PZT bị giới hạn ở mức 2,5% mol. Nb làm tăng độ linh động của các đô-men, làm tăng hệ số liên kết điện cơ k, và cũng làm tăng độ hòa tan của Mn. Với tỷ lệ 7% moi PMnN, cả k, và Q, đều đạt giá trị tối ưu.

Tác động của tạp La thay thế cho Pb tại vị trí A trong hệ PZT – PMnN

Khi hàm lượng La tăng lên thì khối lượng riêng của vật liệu giảm nhẹ. Điều này được giải thích là do La dư tập trung ở biên hạt và hạn chế sự phát triển cô hạt nên kích thước hạt gồm giảm khi hàm lượng La tăng.

Tạp La làm giảm nhanh nhiệt độ Curie của gồm, nên khả năng sử dụng của chúng trong các ứng dụng công suất ở nhiệt độ cao bị hạn chế.

3. Những luận điểm mới

– Đã giải thích ảnh hưởng của Mn và Nb tới các tính chất sắt điện và áp điện của vật liệu trên quan điểm cho rằng đây là 2 tạp riêng rẽ mặc dù vật liệu được chế tạo bằng phương pháp co-lum-bit sử dụng man-ga-no-co-lum-bit (MnNb2O8) là nguyên liệu đầu.

– Đề xuất mô hình cấu trúc vật liệu kiểu vỏ – lõi để giải thích tỉnh dị thường của đường trễ sắt điện.

4. Đề xuất hướng nghiên cứu

Cần tiếp tục nghiên cứu một cách có hệ thống đầy đủ các thành phần chung quanh biên pha, cả các thành phần có pha tử giác lẫn các thành phần có pha mặt thoi, nhằm mục đích xác định chính xác biên pha hình thái của họ vật liệu PZT-PMnM, giúp cho việc chọn thành phần vật liệu phù hợp với nhu cầu sử dụng được thuận tiện và chính xác hơn.