Trang chủ / Tài liệu miễn phí / Luận Án Tiến Sĩ Vật Lý

Ảnh Hiển Vi Điện Tử Quét Của Các Mẫu Thuộc Nhóm Mẫu Mc



Hình 4 22 Ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu thuộc nhóm mẫu MC Bảng 4 8 1

Hình 4.22. Ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu thuộc nhóm mẫu MC


Bảng 4.8. Các kết quả tính toán kích thước hạt, thông số mạng và mật độ gốm của nhóm mẫu MC từ việc phân tích SEM và nhiễu xạ tia X



Mẫu

Kích thước hạt trung

bình (µm)

Mật độ

(g/cm3)


Hằng số mạng (Å)


Tỷ số c/a

a = b

c

MC0

0,20 ±0,05

6,42±0,03

4,062±0,001

4,062±0,001

1,0000±5.10-4

MC1

0,52±0,05

7,47±0,02

4,032±0,002

4,104±0,001

1,0179±7.10-4

MC2

0,70±0,01

7,73±0,02

4,034±0,001

4,104±0,001

1,0174±5.10-4

MC3

1,17±0,01

7,82±0,01

4,036±0,001

4,106±0,001

1,0173±5.10-4

MC4

1,20±0,01

7,91±0,01

4,036±0,001

4,104±0,001

1,0168±5.10-4

MC5

1,10±0,01

7,86±0,01

4,038±0,001

4,102±0,001

1,0158±5.10-4

MC6

0,90±0,01

7,74±0,01

4,032±0,001

4,104±0,001

1,0179±5.10-4

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 161 trang tài liệu này.

Từ kết quả phân tích ảnh SEM (Hình 4.22) cho thấy kích thước hạt trung bình của gốm tăng ứng với nồng độ CuO tăng. Mẫu MC4 (0,125 % kl CuO) có kích thước hạt lớn nhất (1,2 m), các hạt gốm xếp chặt, hình ảnh vi cấu trúc đồng đều, tương ứng với mật độ gốm lớn (7,91 g/cm3). Sau đó kích thước hạt giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng. Mẫu ứng với nồng độ 0,125

% kl CuO được chọn là mẫu ứng với giới hạn hòa tan của ion Cu2+ vào hệ PZT-PZN-PMnN [50], [81]. Đây cũng chính là mẫu có các tính chất điện môi, áp điện và sắt điện tốt nhất. Khi nồng độ CuO lớn vượt quá giới hạn hòa tan đó, chúng sẽ tích tụ tại biên hạt và ngăn cản sự phát triển cỡ hạt đồng thời dễ dàng hình thành pha thứ 2 không mong muốn (mẫu MC5 và MC6, Hình 4.22) [50].


4.2.2.2. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện môi của gốm PZT–PZN–PMnN


Bảng 4.9 biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi tan của các mẫu MC (thiêu kết ở 850 oC) tại nhiệt độ phòng và tại tần số 1kHz. Như đã thấy, hằng số điện môi và tổn hao điện môi tan của hệ gốm PZT-PZN-PMnN phụ thuộc vào nồng độ CuO. Khi gia tăng nồng độ CuO, hằng số điện môi tăng dần và đạt giá trị cực đại ( = 1179) ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl (MC4) và sau đó giảm. Tại nồng độ 0,125 % kl CuO tổn hao điện môi tan có giá trị cực tiểu (tan = 0,006), sau đó tan tăng theo nồng độ CuO tăng.

Bảng 4.9. Các giá trị trung bình của hằng số điện môi và tổn hao điện môi tancủa các mẫu MC đo ở nhiệt độ phòng tại tần số 1kHz


Mẫu

MC0

MC1

MC2

MC3

MC4

MC5

MC6

418

580

899

1048

1179

1094

1045

Tan

0,026

0,016

0,0076

0,006

0,006

0,0064

0,0064


Hình 4.23 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số điện môi và tổn hao điện môi của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO đo tại 1 kHz. Từ Hình 4.23, chúng tôi xác định các

thông số điện môi như max, Tm.


14000

Hằng số điện môi

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0


1.2


MC 0 MC 1 MC 2 MC 3 MC 4 MC 5 MC 6

Tổn hao điện môi tan

1.0


0.8


0.6


0.4


0.2


0.0

50 100 150 200 250 300 350

N hiệt đ ộ T (0C)

Kết quả được liệt kê trên Bảng

4.10. Các kết quả làm khớp giữa số liệu thực nghiệm và hệ

Hình 4.23. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi theo nhiệt độ tại tần số 1KHz của nhóm mẫu MC


Ln(1/1/)

max

thức (3.1) được biểu diễn trên Hình 4.24. Giá trị của tất cả các hệ mẫu nằm trong khoảng từ 1,63 đến 1,86 (Bảng 4.10) đã chứng minh một cách rõ ràng về sự chuyển pha nhòe. Kết quả làm khớp còn cho thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, độ nhòe

tăng theo, nghĩa là tính bất trật tự tại vị trí B trong vật liệu PZT-PZN-PMnN gia tăng theo nồng độ CuO.


M 0 

M 1 

M 2 

M 3 

M 4 

M 5 

M 6 

Fit

0 1 2 3 4 5

m

Ln(T -T )


Hình 4.24. Sự phụ thuộc của ln(1/-1/max) theo ln(T-Tm) tại T Tm của nhóm mẫu MC


Bảng 4.10. Các giá trị của hằng số điện môi cực đại max, nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại Tm và độ nhòe của các mẫu MC tại tần số 1kHz


Mẫu

MC0

MC1

MC2

MC3

MC4

MC5

MC6

max

1433

5566

7264

7969

12042

6411

5137

Tm(oC)

278

270

267

266

266

263

261

1,63

1,74

1,77

1,84

1,86

1,77

1,62

Theo các kết quả phân tích phổ năng lương EDS (Hình 4.20) của mẫu MC4 cho thấy ngoài các nguyên tố trong mẫu nền còn xuất hiện nguyên tố Cu. Điều đó chứng tỏ rằng CuO không những đóng vai trò là chất chảy giảm nhiệt độ thiêu kết của hệ gốm PZT-PZN-PMnN mà còn làm thay đổi cấu trúc và gia tăng độ nhòe của gốm PZT-PZN-PMnN tức là gia tăng độ bất trật tự trong cấu trúc tinh thể của vật liệu. Có thể giải thích rằng, sự khác biệt đáng kể cả về bán kính ion và hóa trị của Cu2+ (0,073 nm) so với Ti4+ (0,061 nm)


[53] đã làm cho độ bất trật tự trong hệ vật liệu PZT-PZT-PMnN lớn. Do đó khi Cu2+ tăng, sẽ làm gia tăng tính bất trật tự trong hệ vật liệu PZT-PZT- PMnN tức gia tăng độ nhòe .


Hằng số điện môi,

6000


4000


2000


0


1.0


MC1

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

Tổn hao điện môi, tan


Hằng số điện môi,

0.8


0.6


0.4


0.2


50 100 150 200 250 300 350 0.0

o

Nhiệt độ ( C)


8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0


o

50 100 150 200 250 300 350

Nhiệt độ ( C)


2.0

MC2

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

Tổn hao điện môi, tan

Hằng số điện môi,

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0


10000


8000


6000


4000


2000


0


o

50 100 150 200 250 300 350

Nhiệt độ ( C)


1.0


MC3

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

Tổn hao điện môi, tan

0.8


0.6


0.4


0.2


0.0



14000


Hằng số điện môi,

12000


10000


8000


6000


4000


2000


0


o

0 50 100 150 200 250 300 350

Nhiệt độ ( C)


0.8


MC4

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

0.7


0.6


0.5


0.4


0.3


0.2


0.1


0.0


8000


Tổn hao điện môi, tan

Hằng số điện môi,

7000


6000


5000


4000


3000


2000


1000


50 100 150 200 o250 300 350

Nhiệt độ ( C)


2.0


MC5

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

1.6


1.2


0.8


0.4


0.0


6000


Tổn hao điện môi, tan

Hằng số điện môi,

5000


4000


3000


2000


1000


0


50 100 150 200 250 300 350

C

Nhiệt độ (o )


1.6


MC6

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

Tổn hao điện môi, tan

1.4


1.2


1.0


0.8


0.6


0.4


0.2


0.0

Hình 4.25. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi theo nhiệt độ

của các mẫu MC đo tại các tần số khác nhau.


Hình 4.25 biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi tan theo nhiệt độ đo tại các tần số khác nhau 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz và 1000 kHz. Kết quả cho thấy hằng số điện môi và tổn hao điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số đo, chứng tỏ có sự tán sắc điện môi. Tương ứng với tần số tăng, đỉnh cực đại của hằng số điện môi giảm và dịch chuyển về phía nhiệt độ cao phù hợp với đặc trưng của các sắt điện chuyển pha nhòe [81].

4.2.2.3. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất áp điện của gốm PZT–PZN–PMnN


Từ kết quả đo phổ dao động cộng hưởng radian và bề dày của hệ gốm PZT-PZN-PMnN + z % kl CuO thiêu kết ở 850 oC, hệ số liên kết điện cơ kp, kt, k31, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm của các mẫu MC đã được xác định. Kết quả cho ở Bảng 4.11 và Hình 4.26.


Có thể thấy từ Bảng 4.11, hệ số liên kết điện cơ kp, kt theo phương radian và theo phương bề dày có giá trị từ 0,16 – 0,55 và 0,16 – 0,46, tương ứng. Khi nồng độ CuO tăng, hệ số liên kết điện cơ tăng và đạt giá trị cực đại (kp= 0,55, kt = 0,46) tại 0,125 % kl CuO, sau đó giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng (Hình 4.26(a)). Tương ứng với nồng độ CuO tăng, hệ số áp điện d31 tăng dần và đạt giá trị cực đại (112,8 pC/N) ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl, sau đó giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng. Sự gia tăng của các thông số áp điện được giải thích từ sự gia tăng kích thước hạt ứng với nồng độ CuO tăng [45], [81].

Bảng 4.11. Các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ kp, kt, k31, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO


Mẫu

kp

kt

k31

d31 (pC/N)

Qm

MC0

0,16

0,16

0,09

28,64

178

MC1

0,23

0,25

0,13

41,36

206

MC2

0,48

0,39

0,28

86,94

693

MC3

0,54

0,44

0,31

104,0

828

MC4

0,55

0,46

0,32

112,8

1176

MC5

0,54

0,42

0,31

107,8

884

MC6

0,53

0,39

0,31

102,0

834

Theo Xu [81] sự gia tăng kích thước hạt dẫn đến làm gia tăng độ linh động của cách vách đômen nên tính chất áp điện tăng. Tuy nhiên, khi nồng độ CuO tăng vượt quá 0,125 % kl, các tính chất áp điện giảm. Điều này được giải thích bởi sự hình thành pha thứ hai trong các mẫu gốm ứng với mẫu MC5 và MC6 (Hình 4.21). Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu của Kim và cộng sự [46] trên hệ gốm 0,65Pb(Zr0,42Ti0,58)O3 - 0,35Pb(Ni0,33Nb0,67)O3 pha tạp CuO.


Hình 4.26(b) biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất cơ Qm và tổn hao điện môi tanδ theo nồng độ CuO. Có thể nhận thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, hệ số phẩm chất cơ học Qm tăng nhanh và tổn hao điện môi tanδ giảm mạnh. Ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl, hệ số phẩm chất cơ học Qm đạt giá trị cực đại (Qm = 1176) và tổn hao điện môi có giá trị cực tiểu (tanδ = 0,006). Điều này có thể giải thích là do CuO đóng vai trò tạp cứng (a-xep-to). Khi đưa CuO vào hệ PZT-PZN-PMnN, ion Cu2+ sẽ thay thế vào vị trí B trong cấu trúc perovskite [13], [53], [45], [50], [65]. Để bù trừ điện tích trong mạng tinh thể tạo ra các chỗ khuyết ôxi (VO), các chỗ khuyết ôxi này sẽ gây nên biến dạng định xứ của mạng tinh thể và ngăn cản sự chuyển động của các đômen. Kết quả là hệ số phẩm chất cơ học Qm tăng và tổn hao điện môi tanδ giảm [81]. Tuy nhiên, khi tiếp tục gia tăng nồng độ CuO, tổn hao điện môi tăng, hệ số phẩm chất cơ học Qm giảm. Điều này liên quan đến giới hạn hòa tan của ion Cu2+ vào PZT-PZN-PMnN và sự hình thành pha thư hai. Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu của Li (2013) [53] trên hệ gốm Pb[(Mn1/3Sb2/3)0, 06(Ni1/2W1/2)0,02-(Zr0,49Ti0,51)0,92]O3 pha tạp CuO.


Hệ số liên kết điện cơ kp, kt

0.6


0.5


0.4


0.3


0.2


0.1

140


k

p

d

k

t

(a)

120


31

100


80


60


40


20

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

Nồng độ CuO(%kl)

1400


Hệ số áp điện, d31(pC/N)

Hệ số phẩm chất cơ Qm

1200


1000


800


600


400


200

0.035


(b)

(b)

Tổn hao điện môi tan

0.030


0.025


0.020


0.015


0.010


0.005

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

Nồng độ CuO(%kl)


Hình 4.26. Sự phụ thuộc của hệ số liên kết điện cơ (a) hệ số phẩm chất cơ học Qm và tổn hao điện môi tanδ (b) theo nồng độ CuO


4.2.2.4. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất sắt điện của gốm PZT–PZN–PMnN


Hình 4.27 là dạng đường trễ sắt điện của các mẫu gốm đo bằng phương pháp Sawyer-Tower. Chúng đều có dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện relaxor với dạng đường trễ mảnh. Từ các dạng đường trễ, điện trường kháng Ec và phân cực dư Pr đã được xác định. Kết quả cho ở Bảng 4.12.


Độ phân cực P  C cm 2 MC1 30 20 10 0 0 15 10 5 5 10 15 2 10 20 30 40 MC2 30 7

)

Độ phân cực, P (C/cm2

)



MC1




30







20






10






0


0

-15

-10

-5



5 10 15 2





-10







-20







-30







-40




MC2










30






20






10






0


0

-15

-10

-5



5 10 15 2





-10







-20







-30







-40




MC3










30






20






10









0

-15

-10

-5



5 10 15 2





-10







-20







-30







-40



40 40 40






Độ phân cực P  C cm 2 2 0 Độ phân cực P  C cm 2 2 0 2 0 Điện 21

Độ phân cực, P (C/cm2)

-2 0

Độ phân cực P  C cm 2 2 0 2 0 Điện trường E kV cm Điện trường E 24

Độ phân cực, P (C/cm2

-2 0

-2 0







Điện trường, E (kV/cm)

Điện trường, E (kV/cm)

Điện trường, E (kV/cm)



2


MC4




30







20






10






0


0

-15

-10

-5



5 10 15 2





-10







-20







-30







-40





MC5




30







20






10






0


0

-15

-10

-5



5 10 15 2





-10







-20







-30







-40



40 40





40

MC6 Độ phân cực P  C cm 2 30 20 10 0 Độ phân cực P  C cm 2 2 0 Điện 40

MC6

Độ phân cực, P (C/cm )

2

30


20 10 0 Độ phân cực P  C cm 2 2 0 Điện trường E kV cm 2 0 Độ phân 41

20


10


0

Độ phân cực P  C cm 2 2 0 Điện trường E kV cm 2 0 Độ phân cực P 43

Độ phân cực, P (C/cm2)

-2 0


Điện trường, E (kV/cm)

-2 0






Độ phân cực, P (C/cm )

Điện trường, E (kV/cm)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-10


-20


-30


-40

Điện trường, E (kV/cm)


Hình 4.27. Dạng đường trễ của nhóm mẫu MC: MC1 (0,05 % kl CuO), MC2 (0,075 % kl CuO), MC3 (0,10 % kl CuO), MC4 (0,125 % kl CuO), MC5 (0,15 % kl CuO), MC6 (0,175 % kl CuO)


Bảng 4.12. Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO: độ phân cự dư Pr, điện trường kháng EC


Mẫu

MC0

MC1

MC2

MC3

MC4

MC5

MC6

EC (kV/cm)

6,7

5,52

5,46

5,14

4,52

5,29

6,5

Pr (C/cm2)

5,9

7,89

9,37

12,7

16,1

12,01

9,94

Có thế thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, điện trường kháng giảm dần và đạt giá trị cực tiểu là 4,52 kV/cm ứng với mẫu 0,125 % kl CuO sau đó tăng dần khi tăng nồng độ CuO. Phân cực dư tăng theo nồng độ CuO tăng và đạt

Xem tất cả 161 trang.

Ngày đăng: 08/01/2023
Trang chủ Tài liệu miễn phí