(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét

(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét(Luận án tiến sĩ) Tính chất cơ lý của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THẾ QUANG TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THẾ QUANG TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đỗ Văn Trường Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS.TS Đỗ Văn Trường, thực Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết nêu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng 02 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Đỗ Văn Trường Trần Thế Quang i LỜI CẢM ƠN Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Văn Trường, người thầy định hướng khoa học tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận án Thầy truyền cho hứng thú niềm hạnh phúc lớn lao nghiên cứu khám phá khoa học, biết vượt qua khó khăn để vươn tới, với tinh thần tận tụy với học trò nghiêm túc nghiên cứu khoa học Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể thầy Bộ môn Cơ học vật rắn, Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội động viên, chia sẻ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thời gian, vật chất tinh thần để thực luận án Xin chân thành cảm ơn tập thể thầy Bộ môn sở Thiết kế máy Robot, động viên, giúp đỡ chia sẻ nhiều kiến thức kinh nghiệm trình học tập nghiên cứu Trong suốt thời gian thực luận án, may mắn tham gia vào Lab nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu khoa học vật liệu quốc tế (ICCMS), nơi mà học tập nhiên cứu với đội nhóm mạnh mẽ Tơi muốn gửi lời cảm ơn đến người em, bạn nhiệt tình giúp đỡ thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án Tôi mong muốn cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ, quan tâm, hỗ trợ công việc để tơi có điều kiện thực luận án Cuối cùng, xin gửi tới người thân yêu gia đình nhỏ tơi lịng biết ơn sâu sắc Sự động viên, hỗ trợ hi sinh thầm lặng bố mẹ, vợ con, anh em thực thể tình cảm vơ giá, nguồn động lực tinh thần vô mạnh mẽ giúp kiên trì vượt qua khó khăn, trở ngại để đến kết cuối Hà Nội, tháng 02 năm 2022 Nghiên cứu sinh Trần Thế Quang ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Khái niệm đặc điểm vật liệu sắt điện 1.2.1 Vật liệu sắt điện 1.2.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu sắt điện 1.2.3 Phân cực tự phát 1.2.4 Miền phân cực sắt điện (Domain) 10 1.2.5 Quá trình phân cực sắt điện 12 1.2.6 Đường cong điện trễ 13 1.2.7 Nhiệt độ chuyển pha – nhiệt độ Curie 15 1.2.8 Quan hệ biến dạng phân cực 16 1.3 Một số vật liệu sắt điện (ABO3) điển hình 17 1.3.1 Chì titanate - PbTiO3 17 1.3.2 Chì Zirconate Titanate {Pb(ZrxTi1-x)O3, PZT} 17 1.3.3 Chì Lanthanum Zirconate Titanate (PbLaZrTiO3 - PLZT) 17 1.3.4 Chì Magnesium Niobate {Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PMN} 18 1.3.5 Barium titanate (BaTiO3 - BTO) 18 1.4 Ứng dụng vật liệu sắt điện 19 1.4.1 Bộ nhớ sắt điện 20 1.4.2 Các ứng dụng tương lai 23 1.5 Các phương pháp mô 23 1.5.1 Phương pháp mô sử dụng nghiên cứu 24 1.5.1.1 Phương pháp tính tốn ngun lý đầu 24 1.5.1.2 Phương pháp tính tốn mơ hình vỏ - lõi 28 1.5.2 Phương pháp tối ưu hóa 30 1.5.3 Điều kiện biên chu kỳ 33 1.6 Độ phân cực điện 34 ` iii 1.7 Phần mềm sử dụng mô 35 1.7.1 Phần mềm Quantum espresso (QE) 35 1.7.2 Phần mềm General Utility Lattice Program (GULP) 36 1.8 Kết luận 37 Chương XÁC ĐỊNH HÀM THẾ NĂNG CỦA MÔ HÌNH VỎ - LÕI CHO VẬT LIỆU PbTiO3 VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN 38 2.1 Vai trị hàm mơ 38 2.2 Thế tương tác mơ hình vỏ - lõi 39 2.3 Xác định thông số hàm mơ hình vỏ - lõi cho vật liệu PbTiO3 40 2.3.1 Xác định thông số vật liệu PbTiO3 từ tính tốn ngun lý đầu 40 2.3.1.1 Thông số mạng tinh thể 40 2.3.1.2 Hằng số đàn hồi 44 2.3.2 Các bước tối ưu hóa xác định thơng số hàm 48 2.3.3 Kết tối ưu hóa 50 2.4 Khảo sát ảnh hưởng yếu tố lý đến đường cong điện trễ 53 2.4.1 Xác định đường cong điện trễ PbTiO3 54 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng đến đường cong điện trễ 55 2.4.2.1 Ảnh hưởng biến dạng đơn trục 56 2.4.2.2 Ảnh hưởng biến dạng đồng thời hai trục 58 2.4.2.3 Ảnh hưởng biến dạng cắt 59 2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến đường cong điện trễ 60 2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời nhiệt độ biến dạng đơn trục đến độ phân cực 62 2.5 Kết luận 63 Chương NGHIÊN CỨU CÁCH TẠO XOÁY PHÂN CỰC ĐƠN CHO VẬT LIỆU PbTiO3 Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT 64 3.1 Ảnh hưởng chiều dày màng đến phân bố phân cực 65 3.2 Xây dựng xoáy phân cực đơn cho cấu trúc PbTiO3 kích thước nano 66 3.2.1 Xây dựng xoáy phân cực màng nano PbTiO3 67 3.2.2 Xây dựng xoáy phân cực sợi nano PbTiO3 68 3.2.3 Xây dựng xoáy phân cực hạt nano PbTiO3 70 3.3 Phương pháp tạo xoáy điều khiển xốy phân cực đơn điện trường ngồi 71 3.4 Kết luận 75 Chương KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG VÀ KHUYẾT TẬT HÌNH HỌC ĐẾN XỐY PHÂN CỰC ĐƠN 76 4.1 Sự hình thành phân bố phân cực xoáy phân cực đơn 76 ` iv 4.2 Ảnh hưởng biến dạng đơn trục 78 4.3 Ảnh hưởng khuyết tật hình học (vết nứt) 81 4.3.1 Ảnh hưởng vết nứt tâm 81 4.3.2 Ảnh hưởng vết nứt cạnh biên 83 4.3.2.1 Vết nứt vị trí cạnh biên phát triển theo phương x không đối xứng 83 4.3.2.2 Vết nứt vị trí cạnh biên phát triển theo phương z không đối xứng 85 4.3.2.3 Vết nứt vị trí cạnh biên phát triển theo phương x đối xứng 86 4.3.2.4 Vết nứt vị trí cạnh biên phát triển theo phương z đối xứng 87 4.3.3 Ảnh hưởng khuyết tật lệch tường miền phân cực 180o 88 4.4 Kết luận 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 ` v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải 180o DW Tường miền phân cực 180o 90o DW Tường miền phân cực 90o Å a, c Đơn vị Angstrom Thông số mạng tinh thể Å A, ρ, C, k2, k4 Các thông số hàm tương tác vỏ - lõi ABO3 ac Ký hiệu chung Vật liệu sắt điện Thông số mạng tinh thể pha Cubic AFM Atomic force microscope - Kính hiển vi lực nguyên tử aT, cT Thông số mạng tinh thể pha Tetragonal BFGS Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno - Giải thuật cực tiểu BTO BaTiO3 Å Å Cλα (λ, α = 1, Các số đàn hồi 2, ) d DFT DRAM cm Density functional theory - Phiếm hàm mật độ Dynamic random access memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện động E Điện trường eV/Å Ec Trường điện kháng eV/Å Ecutrho Động cho mật độ điện tích Ry Ecutwfc Động ảnh hưởng khoảng cách Ry EEPROM EPROM ` Chuyển vị tương đối ion Electrically erasable programmable read - Only memory Erasable programmable read - Only memory FeFET Ferroelectric field effect transistors - Bóng bán dẫn hiệu ứng trường sắt điện FET Field effect transistor - Bóng bán dẫn hiệu ứng điện trường Flash Flash memory - Bộ nhớ điện tĩnh vi NVFRAM (FRAM) Non-Volatile Ferroelectric Random Access Memories Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không liệu ngắt nguồn GGA Generalized Gradient Approximation - Xấp xỉ độ dốc tổng quát GPa Gigapascal GULP Ĥ HEG k-point LDA Masked ROM MD General Utility Lattice Program Toán tử Hamilton Homogeneous electron gas - Khí điện tử đồng Lưới chia Monkhorst-Pack Local density approximation - Xấp xỉ mật độ cục Masked Read - Only Memory - Bộ nhớ đọc lập trình Molecular dynamics - Động lực học phân tử MFSFET Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor - Bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại sắt điện MOSFET Metal oxide Semiconductor Field Effect Transistor Bóng bán dẫn hiệu ứng trường xít kim loại N Tổng số ion mơ hình ns Nanosecond O Ngun tố oxy P Độ phân cực μC/cm2 p Mô men lưỡng cực điện μC.cm Pb Ngun tố Chì P-E Vịng lặp trễ phân cực với điện trường (đường cong điện trễ) PLZT PbLaZrTiO3 - Lead Lanthanum Zirconate Titanate PMN Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Pr Prmax PROM ` 109 N/m2 Remanent polarization - Phân cực dư μC/cm2 Phân cực dư lớn μC/cm2 Programmable read - Only memory vii Ps - Phân cực tự phát PTC Positive temperature coefficient - Nhiệt điện trở PTO PbTiO3 - Chì Titanate PZO PbZrO3 - Chì Zirconate Titanate PZT PbZrTiO3 - Chì Zirconate Titanate μC/cm2 q Điện tích μC qc Điện tích hạt nhân nguyên tử μC qe Điện tích đám mây điện tử μC QE Quantum Espresso qi, qj Điện tích nguyên tử i j tương ứng μC r Bán kính nguyên tử Å rij Khoảng cách nguyên tử i nguyên tử j Å s Khoảng cách hai điện tích cm SRAM Dynamic random access memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện tĩnh T Nhiệt độ tuyệt đối K t Thời gian s T[] Động Tc Nhiệt độ Curie - Nhiệt độ chuyển pha Ti Nguyên tố Titan V Thể tích Electron volt/Angstrom VCS Hàm tương tác vỏ với lõi Vee Năng lượng lực đẩy điện tử - điện tử VLR Hàm tương tác tầm xa Vne Năng lượng lực hút điện tử - hạt nhân VSR Hàm tương tác tầm gần ε K cm3 eV/Å y(r,t) ` Spontaneous polarization Hàm sóng, biên độ xác suất cho cấu hình khác hệ Hằng số điện môi viii ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THẾ QUANG TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đỗ... xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Khái niệm đặc điểm vật liệu sắt điện 1.2.1 Vật liệu sắt. .. CỰC ĐƠN CHO VẬT LIỆU PbTiO3 Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT 64 3.1 Ảnh hưởng chiều dày màng đến phân bố phân cực 65 3.2 Xây dựng xoáy phân cực đơn cho cấu trúc PbTiO3 kích thước nano 66 3.2.1