Tụ điện là linh kiện quan trọng trong các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh và máy tính. Chúng được làm bằng vật liệu điện môi phân cực khi có điện áp. Hiện nay, bari titanat (BaTiO 3 ) là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo tụ điện.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể và tính chất của perovskite-RbNbO 3 được điều chế ở 4 GPa. Phân tích XRD đơn tinh thể cho thấy RbNbO 3 thể hiện nhóm không gian không đối xứng tâm giống như các chất sắt điện BaTiO 3 và KNbO 3 . Nhà cung cấp hình ảnh: Ayako Yamamoto từ SIT, Nhật Bản
Bari titanate thuộc nhóm vật liệu perovskite, trong đó ion titan nằm trong lồng bát diện oxy. Vật liệu này thể hiện đặc tính sắt điện kiểu dịch chuyển, trong đó sự dịch chuyển của các ion trong quá trình chuyển pha dẫn đến việc tạo ra mômen lưỡng cực vĩnh viễn bên trong vật liệu.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Dalton Transactions, các nhà nghiên cứu do Giáo sư Ayako Yamamoto từ Viện Công nghệ Shibaura dẫn đầu, bao gồm cả sinh viên cao học Kimitoshi Murase, đã phát triển một vật liệu sắt điện loại dịch chuyển có hằng số điện môi cao. Phần lý thuyết được nghiên cứu bởi Tiến sĩ Hiroki Moriwake và nhóm của ông đến từ Trung tâm Gốm sứ Mỹ thuật Nhật Bản.
Sử dụng phương pháp áp suất cao, các nhà nghiên cứu đã kết hợp thành công các ion rubidium khá lớn vào các hợp chất loại perovskite, dẫn đến sự tổng hợp rubidium niobate (RbNbO3). Hợp chất này, trước đây được biết đến với quá trình tổng hợp đầy thử thách, đã được tạo ra một cách hiệu quả thông qua phương pháp tiếp cận sáng tạo.
RbNbO3 thể hiện tính sắt điện dịch chuyển giống như BaTiO3, khiến nó trở thành một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các tụ điện và việc tổng hợp RbNbO3 đã có từ những năm 1970. Tuy nhiên, các nghiên cứu về tính chất điện môi của nó chỉ được tiến hành ở nhiệt độ thấp (dưới 27°C).
Nghiên cứu này làm sáng tỏ cấu trúc tinh thể và sự chuyển pha trong phạm vi nhiệt độ rộng (–268 đến +800°C), mở đường cho nghiên cứu và phát triển tiếp theo.
Giáo sư Yamamoto cho biết: “Phương pháp tổng hợp áp suất cao đã tạo ra nhiều loại vật liệu có cấu trúc kiểu perovskite, bao gồm chất siêu dẫn và nam châm. Trong nghiên cứu này, trọng tâm của chúng tôi là kết hợp niobates và kim loại kiềm được biết đến với đặc tính điện môi cao”.
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp RbNbO3 loại không perovskite bằng cách thiêu kết hỗn hợp rubidium cacbonat và niobium oxit ở nhiệt độ 1.073 K (800°C), sau đó cho nó chịu áp suất cao 40.000 atm ở 1.173 K (900°C) trong 30 phút. Trong các điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao này, rubidium niobate trải qua quá trình chuyển đổi cấu trúc từ pha ba nghiêng phức tạp ở pha áp suất xung quanh thành cấu trúc loại perovskite trực giao dày đặc hơn 26%.
Sử dụng nhiễu xạ tia X, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Phân tích của họ sử dụng một tinh thể cho thấy cấu trúc tinh thể gần giống với cấu trúc của kali niobate (KNbO3) và thể hiện những biến dạng tương tự được quan sát thấy ở BaTiO3, cả hai đều là vật liệu sắt điện nổi tiếng.
Tuy nhiên, họ phát hiện ra rằng độ trực giao và độ dịch chuyển của các nguyên tử niobi trong RbNbO3 vượt quá KNbO3, cho thấy mức độ phân cực điện môi cao hơn do sự chuyển pha.
Hơn nữa, thông qua nhiễu xạ tia X dạng bột, các nhà nghiên cứu đã xác định được bốn quá trình chuyển pha riêng biệt xảy ra ở nhiệt độ từ –268°C đến +800°C. Dưới nhiệt độ phòng, RbNbO3 tồn tại ở pha trực thoi, đây là cấu hình ổn định nhất.
Khi nhiệt độ tăng lên, nó trải qua quá trình chuyển đổi: đầu tiên sang pha perovskite tứ giác trên 220°C, sau đó sang pha perovskite tứ giác kéo dài hơn trên 300°C. Cuối cùng, trên 420°C, nó trở lại pha không perovskite trong điều kiện khí quyển.
Những chuyển đổi pha được quan sát này khớp chặt chẽ với các dự đoán được thực hiện thông qua các tính toán nguyên tắc đầu tiên. Các nhà nghiên cứu cũng tính toán độ phân cực điện môi của các pha khác nhau của RbNbO3. Họ phát hiện ra rằng pha trực thoi có độ phân cực 0,33 C m−2, trong khi hai pha tứ giác có độ phân cực lần lượt là 0,4 và 0,6 C m−2. Các giá trị này tương đương với giá trị của niobat kim loại kiềm sắt điện như KNbO3 (0,32 C m−2), LiNbO3 (0,71 C m−2) và LiTaO3 (0,50 C m−2).
"Pha áp suất cao thu được lần này đã xác nhận sự hiện diện của cấu trúc phân cực từ việc quan sát sự tạo ra sóng hài bậc hai có cùng cường độ với kali niobate và cũng thu được độ thấm tương đối cao. Đối với hằng số điện môi, người ta mong đợi Giáo sư Yamamoto cho biết có thể đạt được các giá trị bằng hoặc lớn hơn giá trị của kali niobate bằng cách tăng mật độ mẫu, như dự đoán từ các tính toán lý thuyết”.
Các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch thực hiện thêm các thí nghiệm để đo chính xác hằng số điện môi và chứng minh độ phân cực cao của RbNbO3. Ưu điểm của phương pháp áp suất cao nằm ở khả năng ổn định các chất không tồn tại dưới áp suất khí quyển.
Sử dụng phương pháp đề xuất, các ion kim loại kiềm lớn hơn như Caesium có thể được tích hợp vào cấu trúc perovskite, dẫn đến chất sắt điện có đặc tính điện môi mong muốn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
