Xem mẫu
- TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ VẬT LIỆU LaFe1-xCoxTiO3
TRẦN DUY THANH - LÊ VĨNH THỊNH
CAO THỊ THÙY LINH - HOÀNG HƯƠNG QUỲNH
Khoa Vật lý
Tóm tắt: Perovskite LaFe1-xCoxTiO3 được chế tạo bằng phương pháp phản
ứng pha rắn. Bằng cách nâng nhiệt độ nung mẫu lên đến 12900C, chúng tôi
đã thu được hệ mẫu đơn pha có thể tích ô cơ sở tăng nhẹ theo nồng độ pha
tạp Ti và Co. Các mẫu thể hiện tính bán dẫn và mẫu La(Fe0.3Co0.2Ti0.5)O3 có
độ dẫn cao nhất.
Từ khóa: Tính chất điện, độ dẫn
1. MỞ ĐẦU
Trong các nghiên cứu trước đây [1], khi pha Ti vào hợp chất LaFeO3, mặc dù tạo ra hợp
chất có hệ số Seebeck S dương và có giá trị cao (khoảng mV/K) nhưng độ dẫn (σ) có
giá trị nhỏ. Vấn đề đặt ra là phải làm sao tăng độ dẫn σ. Trong đề tài này, chúng tôi đã
pha tạp thêm Co, kết quả thu được là độ dẫn σ đã tăng và mẫu La(Fe0.4Co0.2Ti0,5)O3 có
giá trị độ dẫn σ cao nhất. Độ dẫn tăng theo nồng độ pha tạp Co.
2. THỰC NGHIỆM
Mẫu LaFe1-xCoxTiO3 được chế tạo bằng
phương pháp phản ứng pha rắn, các oxit
La2O3(99.5%), Fe2O3(99%), Co2O3(99%),
C- êng ®é (®.v.t.y)
TiO2(99%), được phối liệu theo công thức 121
danh định, các hỗn hợp được nghiền trộn
240
101 220 202 242
(5)
lần 1 trong 12 giờ với nước cất, hỗn hợp (4)
được ép thành các viên hình trụ (3)
( 10mm, h 10mm ) và tiến hành nung (2)
sơ bộ ở nhiệt độ 9000C trong không khí 10 20 30 40 50 60 70
(1)
trong 8 giờ. Trong quá trình nung, các (®é)
phản ứng giữa các nguyên liệu trong phối Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu
liệu xảy ra ở nhiệt độ cao hình thành dung nung thiêu kết ở nhiệt độ 12900C: LaFeO3 (1) ,
dịch rắn. Sau khi nung sơ bộ, mẫu được La(Fe0,6Ti0,4)O3 (2) , La(Fe0,5Ti0,5)O3 (3),
nghiền khô và ướt trong 5 giờ. Vật liệu La(Fe0,4Co0,1Ti0,5)O3 (4) and
sau khi nghiền lần hai được trộn đều với La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3 (5)
2% trọng lượng chất kết dính là dung dịch
PVA. Sau đó mẫu được ép thành sản phẩm khối kích thước 12mm 4mm 3mm và đưa
vào nung thiêu kết ở 12900C trong 10 giờ với tốc độ gia nhiệt 30C/phút. Sau đó mẫu
được nguội theo lò.
Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X với thiết bị nhiễu xạ D5005-Bruker-
Germany. Điện trở suất (ρ) được đo trong dải nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 1000oC.
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sinh viên năm học 2016-2017
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, tháng 12/2016: tr. 402-406
- TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ VẬT LIỆU LaFe1-xCoxTiO3 403
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu LaFe1-xCoxTiO3. Các mẫu đều có cấu trúc
orthorhombic thuộc nhóm không gian Pnma. Từ hình 1 ta có thể thấy, giản đồ nhiễu xạ
tia X của các mẫu 2 sắc nét, đỉnh nhọn rõ, chứng tỏ mẫu đơn pha.
Bảng 1. Hằng số mạng, thể tích ô cơ sở của các mẫu được nung thiêu kết ở nhiệt độ 12900C.
Hợp chất a(Å) b(Å) c(Å) α β γ V(Å)3
LaFeO3 5,570 5,532 7,890 90o 90o 90o 243,1
La(Fe0,6Ti0,4)O3 5,596 5,531 7,892 90o 90o 90o 244,3
La(Fe0,5Ti0,5)O3 5,664 5,532 7,892 90o 90o 90o 247,3
La(Fe0,4Co0,1Ti0,5)O3 5,672 5,532 7,896 90o 90o 90o 247,8
La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3 5,683 5,534 7,910 90o 90o 90o 248,8
Từ bảng 1, thể tích ô cơ sở của các mẫu tăng khi pha tạp Ti, Co thay thế ion Fe+3 ở vị trí
B. Đó là do bán kính của ion Ti+4(r=0,650 Å), Co+3(r=0,648 Å) lớn hơn so với bán kính
ion Fe+3(r = 0,645 Å). Độ lớn hạt tăng khi tăng nhiệt độ nung thiêu kết. Sự méo mạng
tinh thể khi pha tạp Ti, Co vào LaFeO3 là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến tích chất
điện của các mẫu nghiên cứu.
(a) (b) (c)
Hình 2. Ảnh SEM của hệ mẫu nung thiêu kết ở nhiệt độ 12900C:
(a) LaFeO3, La(Fe0,6Ti0,4)O3(b) và La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3 (c)
Hình 2 là ảnh SEM của các mẫu pha tạp Ti, Co được nung ở nhiệt độ 12900C. Nhận
thấy rằng, các hạt có kính thước tương đối đồng đều và kích thước hạt của các mẫu pha
tạp nhỏ hơn so với kích thước hạt của mẫu LaFeO3 thuần.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất (ρ) của các mẫu LaFe1-xCoxTiO3 nung thiêu kết
ở nhiệt độ 12900C được biểu diễn lần lượt trên các hình 3. Tất cả các mẫu chế tạo biểu
hiện tính dẫn bán dẫn, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Kết quả đo điện trở suất phụ
thuộc vào nhiệt độ của LaFeO3 được trình bày trên hình 3a. Chúng ta biết rằng, vật liệu
perovskite LaFeO3 là chất điện môi . Tuy nhiên mẫu LaFeO3 chế tạo lại có tính dẫn như
bán dẫn đó là do trong quá trình nung thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường không
khí và được giữ trong thời gian dài dẫn tới sự thiếu hụt Ôxy tạo ra trạng thái hỗn hợp
hóa trị Fe+3- Fe+2 và mẫu trở thành dẫn điện với cơ chế “hoping”. Ion Ti trong các hợp
chất đều tồn tại trạng thái Ti+4 làm tăng tính điện môi. Ion Co có khả năng tồn tại hỗn
- 404 TRẦN DUY THANH và cs.
hợp hóa trị Co+2-Co+3, khi mẫu được nung ở nhiệt độ cao và làm nguội trong không khí.
Như vậy, cùng với sự tồn tại cặp Fe+3-Fe+2, nay có thêm cặp Co+3-Co+2 về nguyên tắc sẽ
làm tăng độ dẫn điện của mẫu [2-8].
3
1200
2
-3Ohm.cm
ln
1
800 0
-1
1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
x
1000/T
400
0
150 200 250 300 350 400 450 500
0
T( C)
(a)
2 0
2000 1800
1
0 -1
ln
-1
ln
Ohm.cm
1500 -2
x10 Ohm.cm
-2 1200
-3
-3
1000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
-3
1000/T 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
x10
-3
1000/T
600
500
0
0
200 300 400 500 600 200 300 400 500 600
0
0 T( C)
T( C)
(b) (c)
1200 1000 2
0
1
0
1000
ln
-1
x10 Ohm.cm
750 -1
ln
x10 Ohm.cm
-2
-2
800 -3
500
-3
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
-3
1000/T
-3
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
600 1000/T
250
400
0
200
200 300 400 500 600 200 300 400 500 600 700
0
0
T( C) T( C)
(d) (e)
Hình 3. Đồ thị (T ) của hệ mẫu LaFeO3(a), La(Fe0,6Ti0,4)O3(b), La(Fe0,5Ti0,5)O3(c),
La(Fe0,4Co0,1Ti0,5)O3(d) La(Fe0,3Co0,2Ti0,5)O3(e) nung thiêu kết ở nhiệt độ 12900C.
- TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA HỆ VẬT LIỆU LaFe1-xCoxTiO3 405
Hình 4 thể hiện sự phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu LaFe1-xCoxTiO3 nung ở nhiệt độ
12900C. Nhận thấy các đường phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu là khá tuyến tính, phù
hợp với mô hình nhảy của polaron nhỏ [9] :
A E
exp a
T kT
Trong đó A là hằng số phụ thuộc T, T là nhiệt độ tuyệt đối, k là hằng số Boltzmann, Ea
là năng lượng kích hoạt. Trong các nghiên cứu trước đây [1], khi pha Ti vào hợp chất
LaFeO3, mặc dù tạo ra hợp chất có hệ số Seebeck S dương và có giá trị cao (khoảng
mV/K) nhưng độ dẫn (σ) có giá trị nhỏ. Vấn đề đặt ra là phải làm sao tăng độ dẫn σ.
Trong đề tài này, chúng tôi đã pha tạp thêm Co, kết quả thu được là độ dẫn σ đã tăng
(hình 4) và mẫu La(Fe0.4Co0.2Ti0,5)O3 có giá trị độ dẫn σ cao nhất (hình 4). Độ dẫn tăng
theo nồng độ pha tạp Co.
La(Fe0,6Ti0,4)O3
1.5
La(Fe0,3Co0,1Ti0,5)O3
La(Fe0,4Co0,2Ti0,5)O3
0.0
ln
-1.5
-3.0
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
1000/T
Hình 4. Sự phụ thuộc ln(σT)-1/T của các mẫu La(Fe0,6Ti0,4)O3, La(Fe0,2Co0,1Ti0,6)O3 và
La(Fe0,4Co0,2Ti0,5)O3 nung thiêu kết ở nhiệt độ 12900C
4. KẾT LUẬN
Được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn với nhiệt độ nung thiêu kết cao
1290oC, hệ mẫu LaFe1-xCoxTiO3 đơn pha và có thể tích ô cơ sở tăng theo nồng độ pha
tạp Ti, Co. Để cải thiện tính dẫn của hệ mẫu, ion Co được pha tạp với nồng độ x = 0.1,
0.2, kết quả tính dẫn tăng và mẫu La(Fe0,4Co0,2Ti0,5)O3 cho tính dẫn cao nhất.
- 406 TRẦN DUY THANH và cs.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Dang Le Minh, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thuy (2008). The magnetic and
electric properties of the perovskite compound of LaFeO3 doped Sr, Ti, Proceeding of
the eleventh Vietnamese-German Seminar on Physcis and Engineering, Nha Trang
city from 31 March to 05 April.
[2] Chao Wang Hong, Lei Wang Chun, Liang Zhang Jia, Lei Zhao Ming, Liu Jian Su
Wen Bin, Yin Na, Mei Liang Mo (2009). Cu Doping Effect on Electrical Resistivity
and Seebeck Coefficient of Perovskite-Type LaFeO3 Ceramics, Chin. Phys. Lett. Vol.
26 No. 10 107301.
[3] Das Soma, T.K. Dey (2006). Temperature dependence of the thermoelectric power of
La1-xKxMnO3 compounds in light of a two phase model, Physica B, 381, PP. 280–288.
[4] Dagotto Elibio, Hotta Takashi, Moreo Adriana (2001). Collosal Magnetoresistance
material: the key role of phase separation, Physics reports 334, PP. 18-93.
[5] Giani A., Al Bayaz A., Foucaran A., Pascal-Delannoy F., Boyer A. (2002).
Elaboration of Bi2Se3 by metalorganic chemical vapour deposition, Journal of Crystal
Growth, 236, PP. 217–220.
[6] Iwasaki Kouta, Tsuyoshi Ito, Masahito Yoshino, Tsuneo Matsui, Takanori Nagasaki,
Yuji Arita (2007). Power factor of La1−xSrxFeO3 and LaFe1−yNiyO3, Journal of Alloys
and Compounds 430, PP. 297–301.
[7] J.Y. Yang, T. Aizawa, A. Yamamoto, T. Ohta (2000). Thermoelectric properties of n-
type (Bi2Se3)x (Bi2Te3)1-x prepared by bulk mechanical alloying and hot pressing,
Journal of Alloys and Compounds 312, PP. 326–330.
[8] Y Park C and Jacohson A J, J. Electrochem (2005). Soc 152, PP. 165.
[9] Muhammet Toprak, Yu Zhang, Mamoun Muhammed (2003). Chemical alloying and
characterization of nanocrystalline bismuth telluride, Materials Letters 4460, PP. 1 – 7.
TRẦN DUY THANH
LÊ VĨNH THỊNH
CAO THỊ THÙY LINH
HOÀNG HƯƠNG QUỲNH
SV lớp VLTT 4, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế
ĐT: 0936 147 868, Email: tranbom202@gmail.com
nguon tai.lieu . vn
