Nghiên cứu điều chế bột PZT pha tạp lantan bằng phương pháp thủy nhiệt

Vật liệu PZT (chì zirconat titanat) pha tạp lantan đã được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt. Ảnh hưởng của pH, thời gian, nhiệt độ và nồng độ lantan đến sự hình thành và tính chất của vật liệu đã được khảo sát. Bài viết tiến hành nghiên cứu điều chế vật liệu PZT pha tạp lantan bằng phương pháp thủy nhiệt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu điều chế bột PZT pha tạp lantan bằng phương pháp thủy nhiệt NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ BỘT PZT PHA TẠP LANTAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT NGUYỄN THANH THỦY, NGUYỄN VĂN TÙNG, NGUYỄN TRỌNG HÙNG, CAO DUY MINH Viện Công nghệ xạ hiếm, 48 – Láng Hạ, Đống Đa, Hà Nội Email: ntthuy.k51a@gmail.com Tóm tắt: Vật liệu PZT (chì zirconat titanat) pha tạp lantan đã được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt. Ảnh hưởng của pH, thời gian, nhiệt độ và nồng độ lantan đến sự hình thành và tính chất của vật liệu đã được khảo sát. Vật liệu thu được được phân tích thành phần pha bằng phương pháp nhiều xạ tia X (XRD), hình thái học qua kính hiển vi điện tử quét và hằng số điện môi. Các kết quả chỉ ra rằng vật liệu Pb1-xLax(Zr0,65Ti0,35)O3 với x=0,0 – 0,1 được hình thành khi pH≥13, thời gian 12h, nhiệt độ 180oC. Hằng số điện môi của vật liệu tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng La pha tạp. Từ khóa: PLZT, thủy nhiệt. I. GIỚI THIỆU Vật liệu chì, zirconi, titan oxit - PbZrxTi1-xO3 (PZT) là một dung dịch rắn của PbTiO3 và PbZrO3 [8,15]. Nó là một trong các hệ vật liệu điện môi được sử dụng rộng rãi nhất. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, các vật liệu trên cơ sở PZT được biến tính bằng cách đưa thêm vào các loại tạp: đất hiếm, Mn, Fe, Cr, Sb, Zn…. nhằm tăng cường các tính chất của vật liệu [3-15]. Các nguyên tố đất hiếm có bán kính ion nhỏ hơn Pb2+ và lớn hơn nhiều so với các ion Ti4+, Zr4+ nên khi được đưa vào PZT, chúng thay thế cho ion Pb2+. Lantan chỉ có một hóa trị là 3+ nên đóng vai trò tạp đô-no, nó sẽ tăng cường các tính chất của PZT như: tăng hằng số điện môi, tính chất áp điện, hệ số đàn hồi [3-5]. PZT pha tạp La (PLZT) hiện được ứng dụng rộng rãi để làm bộ nhớ (DRAM và FRAM), detector hồng ngoại, các thiết bị quang điện, các thiết bị sóng âm…[2,3,11,13]. Chính vì vậy, hệ dung dịch rắn gồm PZT có thành phần cận biên pha tạp La là một đối tượng đầy hấp dẫn đối với nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng. Để điều chế vật liệu PZT cũng như vật liệu PZT pha tạp, người ta sử dụng các phương pháp như: phản ứng pha rắn (nung truyền thống), sol-gel, thủy nhiệt [2,3,5-7]. Ngoài ra còn có các phương pháp như đồng kết tủa, columbite [3,4,14]. Trong số các phương pháp kể trên thì nung truyền thống được sử dụng một cách rộng rãi. Theo phương pháp này, các oxit hoặc muối cacbonat của chì, titan, zirconi và các chất pha tạp được trộn với tỷ lệ thích hợp rồi nung ở nhiệt độ cao để phản ứng pha rắn xảy ra. Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện. Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm như: bay hơi chì (do nhiệt độ phản ứng >1000oC), sản phẩm có cấu trúc không đồng nhất, kích thước hạt lớn [3,4,16]. Phương pháp sol-gel cũng thường được sử dụng do có nhiều ưu điểm như: nhiệt độ nung thấp, có thể điều chế vật liệu kích thước nano. Mặc dù vậy, phương pháp này có nhược điểm là cần phải trải qua rất nhiều giai đoạn: tạo sol, tạo gel, ủ, lọc, sấy, nung [10-13,15]. Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp được nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước sử dụng để điều chế gốm PZT cũng như các vật liệu gốm khác [2]. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: thao tác đơn giản, dễ thực hiện, nhiệt độ phản ứng thấp (khoảng 200oC). Nó cũng là một công cụ hữu ích để điều chế vật liệu gốm kích thước nano. Với phương pháp này, các nguyên liệu dạng muối được hòa tan và trộn lẫn theo tỷ lệ hợp thức. Hỗn hợp sau đó được điều chỉnh pH (>10) rồi chuyển vào bình thủy nhiệt (autoclave). Trong quá trình nung, dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao phản ứng được diễn ra thuận lợi và tạo thành hợp chất mong muốn [2,6-8]. Tại Việt Nam các nghiên cứu về pha tạp PZT bằng các nguyên tố đất hiếm đã được một số tác giả thực hiện tuy nhiên các kết quả được công bố chưa nhiều [3,4]. Bên cạnh đó quá trình điều chế vật liệu PZT pha tạp bằng phương pháp thủy nhiệt rất ít được sử dụng. Do đó, trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu điều chế vật liệu PZT pha tạp lantan bằng phương pháp thủy nhiệt. II. THỰC NGHIỆM Mỗi thí nghiệm được tính toán nhằm thu được 0,01 mol (khoảng 3g) PLZT với công thức Pb1-xLax(Zr0,65Ti0,35)O3 (với x=0; 0,025 ; 0,05 ; 0,01, tương ứng hàm lượng La so với Pb lần lượt là 0,0; 2,5; 5,0; 10,0%mol). Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: ZrOCl2.8H2O (≥98%, Đức), TiCl3 (15%, Đức), Pb(NO3)2 (99%,Trung Quốc) La2O3 (99,99 – Việt Nam), HNO3 và KOH (PA, Trung Quốc). Dung dịch LaCl3 0,1M được chuẩn bị bằng cách hòa tan hoàn toàn một khối lượng La2O3 xác định bằng axit HNO3 5M rồi định mức bằng nước cất. Dựa trên các tài liệu tham khảo, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đề xuất và áp dụng hai cách thức tiến hành phản ứng. Cách thứ nhất là kết tủa từng phần. Muối Pb(NO3)2 được hòa tan hoàn toàn bằng 25ml nước cất rồi cho từ từ vào đó dung dịch KOH 3M đến khi không còn xuất hiện kết tủa. Muối ZrOCl2.8H2O (với khối lượng đã tính toán) được hòa tan hoàn toàn bằng 25ml nước cất, thêm và đó từng giọt dung dịch TiCl3 rồi đến dung dịch LaCl3 với thể tích đã tính toán, vừa cho vừa khuấy thật đều bằng máy khuấy từ. Tốc độ khuấy là 200 vòng/ phút. Cốc chứa Zr4+, Ti3+ và La3+ sau đó được cho từ từ vào cốc chứa Pb(OH)2, điều chỉnh pH của hỗn hợp đến pH cần nghiên cứu bằng dung dịch KOH 3M. Cách thứ hai là đồng kết tủa. Các muối Zr4+ và Pb2+ được hòa tan bằng nước cất ra hai cốc riêng rẽ, thêm từ từ từng giọt TiCl3 vào cốc chứa dung dịch muối Zr4+, dung dịch LaCl3 vào cốc chứa Pb2+. Cho từ từ cốc chứa Zr4+/Ti3+ vào cốc chứa dung dịch Pb2+/La3+, điều chỉnh pH của hỗn hợp bằng dung dịch KOH 3M đến pH cần nghiên cứu. Các hỗn hợp phản ứng sau khi được điều chỉnh pH được khuấy thêm 15 phút trước khi cho vào bình phản ứng. Bình phản ứng được đưa vào lò nung để tiến hành phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt độ từ 150 đến 180oC trong thời gian 12 - 48 giờ. Khi thời gian phản ứng kết thúc, lò nung được để nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng. Hỗn hợp s ...