1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Thị Minh Phương
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT
TÍNH CHẤT CÁC HỆ MÀNG MỎNG SẮT ĐIỆN
KHÔNG CHÌ HỌ BARIUM TITANATE VÀ
ALKALI NIOBIATE ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC TÍCH TRỮ
NĂNG LƯỢNG
Ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số: 9440122
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội - 2025
2
Công trình được hoàn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thu Hiền
Phản biện 1: PGS.TS. Lê Mạnh Tú .............................................
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Tiến Anh ...................................
Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Quang Minh ...................................
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tình trạng thiếu hụt nhiên liệu hóa thạch và nhu cầu năng lượng
ngày càng tăng hiện nay khiến cho việc lưu trữ và sử dụng năng
lượng hiệu quả càng trở nên quan trọng hơn. Điều này dẫn đến nhu
cầu về các thiết bị lưu trữ năng lượng điện (EESS) luôn sẵn sàng
cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị điện và điện tử cũng
tăng cao.
Hiện nay, hệ thống EESS cơ bản được phân thành ba loại chính
gồm: (i) Pin truyền thống; (ii) Tụ điện hóa và (iii) Tụ điện điện môi
(gọi tắt là tụ điện). Mặc dù, tụ điện có mật độ năng lượng thấp (ED)
nhưng chúng lại sở hữu những lợi thế như điện áp hoạt động cao
hơn, chi phí thấp, kích thước linh hoạt, ổn định nhiệt, chu kì làm việc
và khả năng điều chỉnh dòng rò tốt hơn so với pin. Do đó, nếu nâng
cao giá trị ED trong khi vẫn giữ được mật độ công suất cao thì tụ
điện môi hoàn toàn có thể cạnh tranh với siêu tụ điện hóa và pin cũng
như thúc đẩy phát triển các hệ thống lưu điện theo hướng thu nhỏ
kích thước, trọng lượng và dễ dàng được tích hợp lên các linh kiện
điện tử. Chính vì vậy, việc thiết kế thành công vật liệu điện môi, đặc
biệt ở dạng màng mỏng có hiệu suất tích trữ năng lượng cao được
chú trọng nhằm đáp ứng mục tiêu này.
Vật liệu sắt điện, áp điện là tập con của họ vật liệu điện môi,
chúng có điện trở suất cao (thường lớn hơn 108 .m) có thể lưu trữ
năng lượng điện thông qua sự phân cực mạng tinh thể do sự hình
thành hoặc định hướng lại của các lưỡng cực điện nên tụ điện có thể
cung cấp điện tích rất nhanh trong thời gian ngắn hơn so với pin
truyền thống vốn phụ thuộc vào tốc độ của phản ứng hóa học. Vật
liệu sắt điện nền chì Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) là vật liệu được dùng phổ
biến để chế tạo các linh kiện điện tử do nó sở hữu tính chất sắt điện
và áp điện nổi trội. Tuy nhiên, hàm lượng chì cao (~ 60% trọng
lượng) và dễ bay hơi trong quá trình chế tạo và xử lý nhiệt gây ô
nhiễm môi trường và có hại cho sức khỏe con người. Cho đến nay,
đạo luật RoHS hạn chế và thậm chí cấm sử dụng linh kiện điện tử
liên quan đến vật liệu chứa nguyên tố chì đã được Liên minh Châu
Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, …v.v thông qua. Do vậy, việc nghiên
cứu và phát triển vật liệu sắt điện không chì thay thế vật liệu chứa chì
ngày càng được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển. Trong số
đó, vật liệu sắt điện nền alkali niobiate [(K1-xNax)NbO3, KNN] và
2
barium titanate [BaTiO3, BT] thu hút được sự quan tâm nghiên cứu
trở lại nhiều hơn cả trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây do phát
hiện ra một số tính chất lý thú ở chúng. Theo xu thế phát triển của
thế giới, ở Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu, phát triển các hệ
vật liệu sắt điện không chì tại một số trung tâm nghiên cứu. Mặc dù
một số nghiên cứu đã bắt đầu khảo sát mật độ tích trữ năng lượng
của vật liệu, tuy nhiên kết quả thu được vẫn còn rất hạn chế. Trong
khi đó, việc nghiên cứu chế tạo và tích hợp các hệ vật liệu này trên các
linh kiện điện tử (MEMS) vẫn còn là chủ đề mới, chưa được quan tâm
nghiên cứu nhiều. Đây được xem là hướng nghiên cứu mới với tiềm
năng ứng dụng các linh kiện này trong đời sống xã hội, phù hợp với
tình hình chung về xu thế phát triển vật liệu sắt điện không chì trong
nước và trên thế giới. Sau một thời gian tìm hiểu và dưới sự tư vấn
của tập thể hướng dẫn, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
chế tạo và khảo sát tính chất các hệ màng mỏng sắt điện không chì
họ barium titanate và alkali niobiate định hướng ứng dụng trong lĩnh
vực tích trữ năng lượng”.
2. Mc tiêu của luận án
+ Chế tạo thành công hai hệ vật liệu màng mỏng sắt điện không
chì Ba1-xSrxZryTi1-yO3 (BSZT) và [K1-xNaxNbO3] (KNN) đơn pha và
độ tinh khiết cao bằng phương pháp quay phủ sol-gel.
+ Làm rõ được ảnh hưởng của thành phần (tỉ lệ Ba/Sr và Na/K),
điều kiện chế tạo (nhiệt độ thiêu kết và các loại đế điện cực) đến các
đặc trưng điện môi, sắt điện và dòng rò của các hệ màng, đáp ứng
các yêu cầu ứng dụng trong chế tạo thiết bị tích trữ năng lượng.
3. Đi tưng và phm vi nghiên cu
Luận án tập trung nghiên cứu vào các đối tượng sau: Hệ màng
mỏng sắt điện không chì Ba1-xSrxZr0,1Ti0,9O3 (BSZT) với
x = 0,15÷ 0,45 và K0,6Na0,6NbO3 (KNN1); K0,7Na0,7NbO3 (KNN2).
Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:
+ Tổng hợp hai hệ màng BSZT và KNN bằng phương pháp quay
phủ sol-gel.
+ Phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu (XRD, Raman, SEM,
XPS), tính chất điện môi (dòng rò, điện dung) và tính chất sắt điện
(phân cực dư, phân cực cực đại, điện trường kháng).
4. Phương pháp nghiên cu
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
5.  ngha khoa học và những đóng góp thực tiễn của luận án
3
+ Luận án đã chế tạo thành công hai hệ vật liệu BSZT và KNN
bằng kỹ thuật quay phủ sol-gel chi phí thấp, đơn giản và hiệu quả
cho màng chất lượng tốt và độ lặp lại cao.
+ Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ chế
tạo như nhiệt độ kết tinh, tỉ lệ hợp phần Ba/Sr và đế điện cực lên tính
chất của hệ màng mỏng BSZT và KNN nhằm tạo ra các màng chất
lượng cao phục vụ cho việc chế tạo linh kiện tích trữ điện năng dựa
trên cấu trúc kiểu tụ.
6. Tnh mi của luận án
+ Màng mỏng BSZT và KNN được chế tạo theo phương pháp
sol-gel với đặc trưng điện môi và sắt điện tốt có thể sánh ngang với
các hệ màng lắng đọng bằng phương pháp vật lý sử dụng thiết bị đắt
tiền và phải vận hành trong môi trường chân không cao.
+ Luận án đã giải thích rõ sự suy giảm hằng số điện môi trong hệ
màng BSZT là do cơ chế chuyển pha cấu trúc từ pha sắt điện sang
thuận điện khi thay đổi tỉ lệ hợp phần Ba/Sr. Ảnh hưởng tích cực của
loại đế điện cực oxit dẫn điện LaNiO3 tới sự phát triển định hướng
ưu tiên (h00), giảm sự biến dạng trong cấu trúc mạng dẫn đến tăng
cường tính chất điện môi và sắt điện của vật liệu cũng đã được làm
sáng tỏ.
+ Luận án đã tối ưu được các yếu tố gây khó khăn nhất khi chế
tạo hệ màng KNN đơn pha, đúng tỉ lệ hợp phần.
+ Trên cơ sở đó, luận án đã đưa ra phương hướng cụ thể để cải
thiện tính chất sắt điện, điện môi của từng họ vật liệu BSZT và KNN
trong lĩnh vực tích trữ năng lượng.
7. B cc của luận án
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các kỹ thuật thực nghiệm
Chương 3: Cấu trúc pha, đặc trưng điện môi, sắt điện và khả
năng tích trữ năng lượng của hệ màng mỏng BSZT
Chương 4: Đặc trưng cấu trúc và tính chất điện môi, sắt điện của
hệ màng mỏng KNN
Kết luận chung.
Các kết quả này đã được công bố trong 08 công trình khoa học
(trong đó có 02 bài báo đã được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc
tế ISI, 01 bài báo Scopus, 02 bài báo được đăng trên tạp chí khoa học
chuyên ngành trong nước, 03 báo cáo tại hội nghị trong nước và
quốc tế).