63
TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011

ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ðỘ PMnN ðẾN CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT
ÁP ðIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN
Phan ðình Giớ, Lê ðại Vương
Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế
TÓM TẮT
Gốm 0,65Pb(Zr
0,47
Ti
0,53
)O
3
–(0,35 - x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O
3
–xPb(Mn
1/3
Nb
2/3
)O
3
(viết tắt là
PZT–PZN–PMnN) ñã ñược chế tạo bằng phương pháp truyền thống kết hợp với phương pháp
columbit. Ảnh hưởng của nồng ñộ PMnN tới cấu trúc và các tính chất áp ñiện của vật liệu ñã

)O
3
–PZT, Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O
3
–PZN–PZT, (Mn
1/3
Nb
2/3
)O
3
–
Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O
3
– PZT, do chúng ñáp ứng các yêu cầu ứng dụng chế tạo biến tử công
suất, biến thế áp ñiện, mô tơ siêu âm… ðây là loại vật liệu có các tính chất như tổn hao
tanδ thấp; hằng số ñiện môi ε lớn; hệ số phẩm chất Q
m
lớn và hệ số liên kết ñiện cơ k
p

lớn [4, 6].
Trong các nhóm vật liệu trên, hệ vật liệu PZT-PZN và PZT-PMnN ñược nhiều

1/3
Nb
2/3
)O
3
– xPb(Mn
1/3
Nb
2/3
)O
3
và khảo sát ảnh
hưởng của nồng ñộ PMnN ñến cấu trúc, tính chất áp ñiện của hệ gốm, ñồng thời xác
ñịnh nồng ñộ PMnN tối ưu có tính chất sắt ñiện, áp ñiện mạnh, hệ số phẩm chất Q
m
lớn
và tổn hao tanδ thấp.
2. Thực nghiệm
Gốm ñược chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp với phương pháp
columbit [9] có công thức 0,65Pb(Zr
0,47
Ti
0,53
)O
3
–(0,35 - x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O

O
5

(99,9% Merck), ZnO (99%) và MnO
2
(99%). Quá trình tổng hợp dung dịch rắn PZT–
PZN–PMnN bao gồm hai giai ñoạn sau:
Giai ñoạn 1: Chế tạo hợp chất Columbit ZnNb
2
O
6
và MnNb
2
O
6
. Trộn các oxit
(ZnO, Nb
2
O
5
) và (ZnO, MnO
2
) nghiền trong 8 giờ và nung ở nhiệt ñộ 1050
0
C trong 2
giờ ñể tạo thành các columbit ZnNb
2
O
6
và MnNb

65
2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0






P h a p e r o v s k it e

P h a P b O d −
2
θ
(
® é
)
M 0
M 1
M 2
M 3
M 4
M 5
C−êng ®é (a.u)



Hình 1. Giản ñồ nhiễu xạ tia X của các mẫu gốm PZT-PZN-PMnN

θ (
®é)
M0
M1
M2
M3
M4
M5

C−êng ®é (a.u)(002)
T
(200)
R
(200)
R
(200)
R
(200)
R
(200)
T
(200)
T
(200)
T
(002)
T

trên 0,075 mol, tại lân cận góc 2
θ
≈
45
0
các ñỉnh (002)
T
và (200)
T
biến mất chỉ còn lại
ñỉnh ñơn (200)
R
. Hiện tượng này chứng tỏ, rằng tạp phức PMnN ñã gây ra sự biến ñổi 66
cấu trúc của vật liệu từ pha tứ giác sang pha mặt thoi. Có thể giải thích khi pha PMnN
vào hệ PZT-PZN, các ion Mn và Nb sẽ thay thế vào vị trí B (Ti
4+
và Zr
4+
) trong cấu trúc
perovskit phức. Do không có sự phù hợp về kích thước của các ion nên ñã làm méo
mạng tinh thể, kết quả là trục c ngắn lại và trục a tăng lên (hình 3) dẫn ñến có sự dịch
chuyển từ pha tứ giác sang pha mặt thoi.
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
4.00
4.01
4.02
4.03

ñã ñược
xác ñịnh. Kết quả cho ở hình 6, hình 7 và hình 8.
200 210 220 230 240 250
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
200 210 220 230 240 250
10
1
10
2
10
3
10
4

Gãc pha
θ
(®é)
Z (
Ω
)

Z (
Ω
)
M1
Gãc pha
θ
(®é)

M0

M1
67
220 230 240 250
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
-100
-80

220 230 240 250
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
M3
Gãc pha
θ
(®é)
Z (
Ω
)
TÇn sè (KHz
)225 230 235 240 245 250
10
0
10
1
10
2

-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
230 235 240 245 250 255
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
Gãc pha
θ
(®é)
Z (
Ω
)
TÇn sè (KHz
)

1 2 3 4 5 6 7
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Z(
Ω)
TÇn sè (MHz)
M2

1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
2000
4000
6000
8000
10000
Z
(

-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Z
(
Ω
)
TÇn sè (MHz)
M5

Hình 5. Phổ dao ñộng theo bề dày của các mẫu gốm PZT – PZN- PMnN

Hình 6 và 7 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số liêt kết ñiện cơ k
p
, k
t
và hệ số áp
ñiện d
31
theo nồng ñộ PMnN. Khi nồng ñộ PMnN tăng, hệ số liêt kết ñiện cơ k
p
, k
t

Hình 6. Sự phụ thuộc của hệ số liên kết
ñiện cơ k
p
và k
t
theo nồng ñộ PMnN
0
5
10
15
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
HÖ sè ¸p ®iÖn d
31
(
pC/N
)

Nồng ñộ PMnN (%mol)


69

Hình 8. Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất Q
m
và tổn hao ñiện môi theo nồng ñộ PMnN

Khi ñưa PMnN vào hệ PZT-PZN, các ion Mn sẽ thay thế vào vị trí B (Ti
4+
và
Zr
4+
) trong cấu trúc perovskit. ðể bù trừ ñiện tích, trong mạng tinh thể sẽ có sự tạo ra
các vacancy oxy. Các vacancy oxy này sẽ gây nên biến dạng ñịnh xứ mạng tinh thể và
ngăn cản sự chuyển ñộng của các vách ñômen. Bên cạnh ñó, tạp cứng còn làm gia tăng
ñiện tích không gian bên trong các hạt gốm tạo nên ñiện trường nội cũng góp phần ngăn
cản sự dịch chuyển của các vách ñômen làm giảm tính áp ñiện, gia tăng hệ số phẩm chất
cơ Q
m
và làm giảm tổn hao ñiện môi tan
δ
[4, 8].
4. Kết luận
Ảnh hưởng của PMnN lên cấu trúc và tính chất áp ñiện của hệ gốm
0,65Pb(Zr
0,47
Ti
0,53
)O
3

m
có giá trị cực ñại (Q
m
= 1417), tổn hao ñiện môi cực tiểu (tan
δ
=
0,004), các thông số áp ñiện: d
31
= 128 pC/N, k
p
= 0,48, k
t
= 0,37. Vật liệu có thành
phần ứng với nồng ñộ 0,075 mol PMnN có thể ứng dụng ñể chế tạo các biến tử siêu âm
công suất và các biến thế áp ñiện.
0 5 10 15 20
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
0.018
0.020
0
200
400

3
–
(0,2 − x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O
3
– 0,8Pb(Zr
0,52
Ti
0,48
)O
3
ceramic, Ceramics International 35,
(2009), 1719–1723.
[4]. Phan ðình Giớ và Hoàng Thị Minh Tâm, Ảnh hưởng của tạp La ñến cấu trúc và các
tính chất áp ñiện của hệ gốm PZN-PZT, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu
toàn quốc lần thứ 6 (SPMS-2009), ðà Nẵng 8-10/11/2009.
[5]. Phan Dinh Gio, Vo Duy Dan, Some dielectric, feroelectric, piezoelectric of 0,35PZN-
0,65PZT ceramic, Journal of Alloys and Compounds, (2006).
[6]. Grinberg I., Shin Young-Han, and Rappe A.M., Molecular Dynamics Study of
Dielectric Response in a Relaxor Ferroelectric. PRL 103, (2009).
[7]. Houa Y. D., Zhua M. K., Tian C. S., Yan H. Structure and electrical properties of
PMZN–PZT quaternary ceramics for piezoelectric transformers, Sensors and Actuators
A 116, (2004), 455-460.
[8]. Huiquiing Fan and Hyoun-Ee Kim, Effect of Lead content on the structure and
electrical properties of Pb((Zn
1/3
Nb

SUMMARY
The 0,65Pb(Zr
0,47
Ti
0,53
)O
3
–(0,35- x)Pb(Zn
1/3
Nb
2/3
)O
3
– xPb(Mn
1/3
Nb
2/3
)O
3
(PZT–PZN–
PMnN) ceramics was prepared

using the columbite precursor method and the conventional
method. The effect of PMnN content on the crystal structure and piezoelectric properties was
investigated. Experimental results indicated that PMnN complex doping changed the structure
and piezoelectric properties of the specimens. With content of PMnN increased, the crystal
structure changes from tetragonal to rhombohedral, the mechanical quality factor (Q
m
)
increases and reaches its highest value at 0,075mol PMnN, while dielectric loss tan