Vật liệu áp điện được phát hiện từ năm 1880 do hai nhà vật lí Pie Curi và Giăc Curi tìm ra. Và cho đến những năm 1950 trở lại đây, hiệu ứng này mới được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, những công trình nghiên cứu về hiệu ứng áp điện có hệ số áp điện lớn đều tập trung chủ yếu vào hệ vật liệu có nền là PZT (lead zirconate titanate). Một vài năm trở lại đây, hệ vật liệu áp điện không chứa chì đã được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu và đã có một số công trình được công bố như: Wenfeng Liu and Xiaobing Ren công bố trên hệ Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃-(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃⁽⁶⁾; Dezhen Xue và các cộng sự công bố trên hệ Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-50(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃⁽⁷⁾; Yumei Zhou và các cộng sự công bố trên hệ Ba(Ti,Sn)O₃-x(Ba,Ca)TiO₃⁽⁹⁾...

    Các nghiên cứu về vật liệu gốm sắt điện, áp điện đã được triển khai ở một vài cơ sở nghiên cứu ở Việt Nam. Nhưng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các hệ vật liệu chứa chì như PZT, PMN, PZT-PMN, hay PLZT (có pha kim loại đất hiếm La) nhằm mềm hóa vật liệu. Các vật liệu không chứa chì, cho đến nay, chưa được quan tâm nhiều. Một vài nhóm các nhà khoa học trong nước đã bắt đầu thực hiện những nghiên cứu đầu tiên trên các hệ vật liệu KNN ( họ vật liệu không chứa chì dựa trên nền (K,Na)NbO₃): đề tài cấp cơ sở Viện KHVL, Viện KH&CNVN do TS. Nguyễn Đức Văn chủ trì và đã nghiệm thu...

      Trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay, ngành Khoa học Vật liệu nói chung và Vật liệu Điện tử nói riêng đóng một vai trò quan trọng. Trong quá trình phát triển của mình, ngành Vật liệu Điện tử đã đóng góp rất lớn cho sự phát triển chung trên thế giới, tạo ra những sản phẩm chất lượng cao, có nhiều ứng dụng, đặc biệt là chế tạo ra những vật liệu cho các ngành kỹ thuật mũi nhọn như điện tử, hàng không, du hành vũ trụ, năng lượng nguyên tử...v.v. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu công bố các tính chất vật lý mới hết sức lý thú của các hệ vật liệu khác nhau, mở ra những triển vọng ứng dụng to lớn của các hiệu ứng điện - từ - quang, trong số đó có vật liệu áp điện.

       Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra được một điện thế tương ứng với sự biến đổi ứng suất cơ học. Mặc dù được phát hiện ra từ năm 1880 nhưng mãi đến những năm 1950 vật liệu này mới được ứng dụng rộng rãi. Trong suốt nửa thập kỷ vừa qua, vật liệu gốm PZT (PbZr_1-xTi_xO₃) được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh được rằng nó có hệ số áp điện tương đối lớn (d₃₃ = 220 ÷ 590 pC/N). Cũng chính vì thế mà hầu hết những ứng dụng áp điện, từ pin điện thoại đến kính hiển vi điện tử xuyên ngầm công nghệ cao (high-tech scanning-tunneling microscope), đều sử dụng vật liệu áp điện PZT. Tuy nhiên, Pb là một nguyên tố phóng xạ gây nguy hiểm cho con người đồng thời là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường toàn cầu nếu sử dụng nhiều. Do đó, yêu cầu cấp thiết cần đặt đối với các nhà khoa học đó là cần nghiên cứu để tìm ra vật liệu áp điện không chứa chì có hệ số áp điện cao để đưa vào ứng dụng thay cho vật liệu PZT truyền thống. Gần đây một vài vật liệu áp điện không chứa chì đã được công bố và cho được kết quả khá khả quan. Đặc biệt là hệ vật liệu không chứa chì trên nền (K,Na)NbO₃ và BaTiO₃.

           Thông thường, hệ số áp điện lớn nhất đạt được trong vật liệu là tại vùng biên chuyển pha giữa hai pha sắt điện, thậm chí là giữa một pha sắt điện và một pha thuận điện⁽¹⁶⁾. Tính bất ổn định của trạng thái phân cực tại vùng chuyển pha cho phép khả năng phân cực tín hiệu dưới ứng suất hoặc từ trường ngoài. Kết quả là tính chất của vật liệu (như hằng số điện môi) phụ thuộc vào sự thay đổi của độ phân cực dẫn đến hệ số áp điện có thể được cải thiện đáng kể.

      Một vài nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, bên cạnh vùng biên chuyển pha giữa hai pha, hệ số áp điện lớn còn thu được tại điểm chuyển pha ba cấu trúc: Pha lập phương thuận điện (paraelectric cubic phase), trực thoi sắt điện (ferroelectric rhombohedral) và pha tứ diện (tetragonal).

      Tuy nhiên, trong sự hiểu biết của chúng tôi thì hệ vật liệu áp điện không chứa chì vẫn chưa được nghiên cứu một cách thỏa đáng. Đã có một số công trình công bố trên các tạp chí quốc tế nhưng còn khá ít và rời rạc. Cơ chế vật lý để giải thích nguyên nhân gây ra hệ số áp điện lớn và các tính chất của vật liệu vẫn còn khá nhiều bất cập, cần tập trung nghiên cứu nhiều hơn, sâu hơn.

     Ở trong nước, hệ vật liệu áp điện cũng đang được rất nhiều nhà khoa học thuộc các trung tâm, các viện khoa học và các trường đại học như trường Đại học Quốc Gia, Đại học Bách Khoa...tập trung nghiên cứu. Nhưng những nghiên cứu này chủ yếu vẫn dựa trên nền vật liệu PZT và cho đến nay chưa có công bố quốc tế nào liên quan về vật liệu áp điện không chứa chì của các tác giả Việt Nam. Do vậy, nhằm thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu về họ vật liệu áp điện không chứa chì và dựa trên tình hình thực tại cũng như các điều kiện nghiên cứu như thiết bị thí nghiệm, tài liệu tham khảo, khả năng cộng tác nghiên cứu với các nhóm nghiên cứu trong nước... chúng tôi cho rằng việc nghiên cứu và giải quyết các vấn đề nêu trên là hữu ích và sẽ cho nhiều kết quả khả quan. Do đó, chúng tôi đề xuất đề tài “Chế tạo vật liệu áp điện không chứa chì  BZT-xBCT  có hệ số áp điện lớn và nghiên cứu một số tính chất  của chúng”. Chúng tôi hoàn toàn tin tưởng sẽ thực hiện thành công đề tài nghiên cứu và sẽ có những đóng góp hữu ích cho sự hiểu biết về cơ chế tương tác điện trong hệ vật liệu sắt điện, áp điện không chứa chì, cũng như mở ra khả năng ứng dụng của hệ vật liệu này trong chế tạo pin, senso … góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

    - Chế tạo thành công các mẫu vật liệu gốm áp điện Ba(Zr_xTi_1-x)O₃ (BZT), (Ba_1-xCa_x)TiO₃ (BCT) và BZT_1-xBCT_x bằng phương pháp tổng hợp pha rắn. Vật liệu BZT-BCT phải đạt chất lượng tốt, có hệ số áp điện lớn (khoảng 500-600 pC/N), đáp ứng yêu cầu làm bia cho công nghệ chế tạo màng mỏng vật liệu BZT-BCT bằng kỹ thuật bốc bay chùm tia laser.  

    - Nghiên cứu mối liên quan giữa cạnh tranh pha hình thái với tính chất điện môi sắt điện, đặc biệt  với tính chất áp điện lớn của vật liệu.

    - Nghiên cứu hiệu ứng cứng hoá và mềm hoá vật liệu bằng phương pháp thay thế cho Ba²⁺ và Ti⁴⁺/Zr⁴⁺ bằng các ion kim loại kiềm, đất hiếm hay kim loại chuyển tiếp tương ứng để thu được vật liệu gốm áp điện tiên tiến cho các nhu cầu ứng dụng.

    - Ngoài ra trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu đồng bộ về cấu trúc pha vật liệu, phổ phonon, phân cực điện của vật liệu phụ thuộc nhiệt độ, điện trường và tần số, sẽ đưa ra những phân tích, bàn luận tổng quát góp phần làm sáng tỏ cơ chế vật lý của hiện tượng hệ số áp điện lớn trong các hệ vật liệu sắt điện.

    - Thúc đẩy hợp tác nghiên cứu khoa học giữa Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên và Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

   - Nghiên cứu tổng quan các tính chất của vật liệu áp điện nói chung và vật liệu áp điện không chứa chì nói riêng.

   - Nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu áp điện dưới dạng mẫu khối và màng mỏng

   - Nghiên cứu các điều kiện công nghệ cũng như các yếu tố vật lý như áp suất, nhiệt độ... đến chất lượng của vật liệu chế tạo.

   - Chế tạo vật liệu áp điện BZT-xBCT dạng mẫu khối và màng mỏng (phương pháp bốc bay chùm tia laser).

   - Đo đạc các tính chất của vật liệu áp điện BZT-xBCT: Cấu trúc, kích thước hạt, màng, các đường đặc trưng như điện trở phụ thuộc nhiệt độ R(T), điện dung phụ thuộc vào nhiệt độ C(T), điện dung phụ thuộc vào tần số C(f), lúp điện trễ D(E)...

   - Phân tích, đánh giá, bình luận tính chất và cấu trúc của vật liệu áp điện BZT-xBCT của vật liệu đã chế tạo được.

Viết báo cáo, seminar, viết báo gửi các tạp chí trong và ngoài nước.

Tải file Chế tạo vật liệu áp điện không chứa chì BZT-xBCT có hệ số áp điện lớn và nghiên cứu một số tính chất của chúng tại đây

   - Mẫu gốm khối được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau như Sol-Gel và nghiền cơ năng lượng cao kết hợp thiêu kết tổng hợp phản ứng pha rắn. Các tham số công nghệ như nhiệt độ nung, thời gian nung, môi trường khí nung … được khống chế để thu được vật liệu sạch pha vật liệu có kích thước hạt mong muốn trong vùng hàng chục nano mét đến hàng trăm nano mét.

   - Cấu trúc vật liệu, pha hình thái, kích thước hạt, dạng thù hình vật liệu được khảo sát và phân tích đánh giá trên cơ sở phân tích phổ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman và ảnh kính hiển vi điện tử SEM. Sau khi có các thông tin cần thiết về cấu trúc pha, độ sạch pha vật liệu, hình thái học và những thông tin bổ trợ như nêu ở trên chúng tôi thực hiện các phép đo điện như đo đường điện trở R(T), điện dung C(T), lúp điện trễ D(E). Phép đo C(T) sẽ được thực hiện dưới tác dụng của điện trường cao nhằm đánh giá độ phân cực cực đại của vật liệu. Ngoài ra phép đo phụ thuộc tần số C(f) của độ phân cực cũng được thực hiện nhằm đánh giá đặc trưng hồi phục điện môi và gián tiếp đánh giá hệ số áp điện của vật liệu. Tổng hợp tất cả các kết quả nghiên cứu sẽ giúp chúng ta đánh giá cơ chế phân cực điện môi trong vật liệu, mối tương quan giữa tính cạnh tranh pha hình thái học và tính chất áp điện sắt điện của vật liệu.

     Thực hiện đề tài sẽ giúp cho các cán bộ giảng dạy và đặc biệt là chủ nhiệm đề tài nâng cao chuyên môn cũng như khả năng nghiên cứu khoa học. Không những thế còn giúp cho cán bộ giảng dạy  liên tục cập nhật và tiếp thu những kiến thức, thành tựu khoa học mới. Kết quả nghiên cứu còn có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, cán bộ giảng dạy cũng như cán bộ nghiên cứu về Vật lý nói riêng và Khoa học Vật liệu nói chung