Đang tải... (xem toàn văn)
Hiệu ứng nhiệt điện trở dương (PTC) là hiệu ứng mà điện trở suất của mẫu tăng đáng kể tại nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi. Hệ gốm BaTiO3 và BaTiO3 pha tạp Y được chế tạo bằng phương pháp gốm thông thường với các nguyên liệu ban đầu đều có độ sạch ≥ 99%. Các mẫu đã được phủ điện cực bằng phương pháp phún xạ catot.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG HIỆU ỨNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ DƯƠNG TRÊN VẬT LIỆU BATIO3 PHA TẠP Y Nguyễn Long Tuyên, Nguyễn Thanh Đình, Trần Thị Thu Trang Trường Đại học Hùng Vương TÓM TẮT Hiệu ứng nhiệt điện trở dương (PTC) hiệu ứng mà điện trở suất mẫu tăng đáng kể nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi Hệ gốm BaTiO3 BaTiO3 pha tạp Y chế tạo phương pháp gốm thông thường với nguyên liệu ban đầu có độ ≥ 99% Các mẫu phủ điện cực phương pháp phún xạ catot Thực nghiệm cho thấy phù hợp tương đối lý thuyết kết thực nghiệm đồng thời thấy mối liên hệ chặt chẽ chuyển pha cấu trúc chuyển pha kim loại - điện mơi Từ khóa: PTC, hiệu ứng nhiệt điện trở dương, BaTiO3, định luật Curie-Weiss MỞ ĐẦU Vật liệu BaTiO3 vật liệu sắt điện nghiên cứu sử dụng rộng rãi giới Không dừng lại với việc nghiên cứu cấu trúc ABO3 bao gồm thành phần, có nhiều cơng trình nghiên cứu xét tới việc pha tạp thêm nguyên tố làm cho tính chất vật liệu perovskite đa dạng nhiều nhờ loạt hiệu ứng (hiệu ứng chuyển pha, hiệu ứng méo mạng ) Ví dụ họ vật liệu có dạng AxA’1-xByB’1-yO3 với bán kính ion A A’, B B’ khác đem lại biến dạng lớn cấu trúc thay đổi tính chất điện từ dẫn đến tương tác mạnh (tương tác trao đổi, siêu trao đổi ), nguyên nhân làm biến đổi tính chất điện tính chất từ (hiện tượng từ hóa tự phát phân cực tự phát) PTC khái niệm dùng để vật liệu có điện trở suất tăng nhiệt độ tăng Hiệu ứng lần tìm thấy hệ vật liệu gốm bán dẫn BaTiO3 vào năm 1964 Thông thường điện trở suất nhiệt độ phòng gốm BaTiO3 1010 W.cm, lúc vật liệu mang tính điện mơi Bằng cách pha tạp ta làm giảm điện trở suất vật liệu xuống vài bậc trở thành vật liệu dẫn điện nhiệt độ phòng, tạp thay kim loại chuyển tiếp đất La, Ce, Y Hiện tượng giảm điện trở suất ion tạp vào vị trí A mạng perovskite Cụ thể với hệ BaTiO3 pha tạp Y3+ có thay ion Ba2+ ion Y3+ làm xuất điện tích dương dư Để thỏa mãn điều kiện cân điện tích, ion Ti4+ bắt thêm điện tử theo phương trình sau: Ba 2+Ti 4+ O32− + xY → Ba12−+xYx3+Ti14−+x (Ti 4+ e − ) x O32− Khi tác dụng điện trường lên mẫu tăng nhiệt độ, electron mức tạp bị kích thích nhảy lên vùng dẫn, vật liệu lúc có tính dẫn loại n Sự tăng điện trở suất vật liệu gốm liên quan đến chuyển pha cấu trúc từ pha sắt điện sang pha thuận điện Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ xung quanh nhiệt độ Curie lên đến bậc 86 KHCN (31) - 2014 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hệ gốm chế tạo bao gồm BaTiO3 BaTiO3 pha tạp Y có cơng thức: Ba1-xYxTiO3 với x = 0,001 ≤ x ≤ 0,005; Ba1-x-yYxMnyTiO3 với x=0,004; 0,005; y=0,001; 0,002 Nguyên liệu chọn Y2O3 có độ 99,99%, BaCO3, MnO2, TiO2 có độ ≥ 99% Các nguyên liệu ban đầu pha trộn theo tỷ lệ xác định, sau nghiền trộn cối mã não nhằm giảm kích thước hạt 700 trộn nguyên liệu đồng Sau trộn [1] BaTiO 600 [2] Ba Y TiO nghiền, hỗn hợp nén thành dạng đĩa [3] Ba Y Mn TiO 500 Tiếp theo mẫu nung sơ 400 nhiệt độ 1.0500C tạo điều kiện cho phản ứng 300 pha rắn chất ban đầu xảy hình 200 thành perovskite Hợp chất sau nung sơ 100 lại tiếp tục nghiền trộn lần 2, ép [3] [2] 0 nung thiêu kết nhiệt độ từ 1.350 C - 1.380 C [1] Những mẫu gốm sau mài, 20 30 40 50 60 70 80 90 2-Theta-Scale rửa dung dịch axit HCl lỗng, rửa Hình 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X siêu âm cồn tuyệt đối sấy khơ Sau mẫu phủ điện cực phương pháp phún xạ catot, với bia hợp kim Zn - Ag, nhiệt độ đế 1000C Phương pháp có ưu điểm cực tiếp xúc tốt với mẫu Tiếp xúc mẫu cực Zn - Ag Ohmic Cêng ®é(®.v.t.y) 0.995 0.005 0.995 0.003 0.002 Các mẫu phân tích cấu trúc, phân tích hình thái bề mặt mẫu thiết bị nhiễu xạ kế tia X (D5005) kính hiển vi điện tử quét SEM - JEOL 5410 LV Các mẫu đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ phương pháp mũi dò mũi dò, đo e phụ thuộc nhiệt độ tần số cầu đo LRC số PM-6303 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát nhiễu xạ tia X cấu trúc bề mặt Hình giản đồ nhiễu xạ số chất điển hình So sánh với cấu trúc BaTiO3 nhiệt độ phòng ta thấy mẫu có cấu trúc khơng khác nhiều chúng pha tạp lượng nhỏ chất tạp điện tử Tất mẫu có cấu trúc tứ giác a) b) c) Hình 2: Cấu trúc bề mặt mẫu Ba0.995Y0.005TiO3 a) 1.3500C b) 1.2000C c) 1.2750C Từ kết chụp ảnh hiển vi bề mặt ta thấy sau nung thiêu kết hạt đơn tinh thể tạo thành kích thước hạt trung bình cỡ từ đến 5mm Các hạt xếp chặt với tạo khoảng trống Các mẫu nung thiêu kết nhiệt độ thấp có cấu trúc xốp kích thước KHCN (31) - 2014 87 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG hạt trung bình