(LUẬN văn THẠC sĩ) tối ưu tính chất sắt điện của màng mỏng PZT được xử lý nhiệt và kết tinh trong môi trường ozone

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN LỢI TỐI ƢU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA MÀNG MỎNG PZT ĐƢỢC XỬ LÝ NHIỆT VÀ KẾT TINH TRONG MÔI TRƢỜNG OZONE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN VĂN LỢI TỐI ƢU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA MÀNG MỎNG PZT ĐƢỢC XỬ LÝ NHIỆT VÀ KẾT TINH TRONG MÔI TRƢỜNG OZONE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH TS NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thực hướng dẫn khoa học TS Bùi Nguyên Quốc Trình TS Nguyễn Ngọc Đỉnh Các kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Học viên Nguyễn Văn Lợi Trƣờng ĐHKHTN i ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lịng kính trọng, biết ơn lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN TS Nguyễn Ngọc Đỉnh Trường Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN người tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng giúp đỡ em nhiều trình em thực Luận văn Thạc sĩ Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Quang Hòa - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ThS Đỗ Hồng Minh - Học viện Kỹ thuật Quân người anh trai bảo, giúp đỡ em trình thực nghiệm, đo đạc, xử lý số liệu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thành viên nhóm nghiên cứu khoa học TS Bùi Nguyên Quốc Trình trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt q trình làm thực nghiệm Khoa Vật lý - ĐHKHTN Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano - ĐHCN Lời sau em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, anh chị đồng nghiệp, gia đình bạn bè ln bên cạnh ủng hộ, động viên em suốt trình học tập nghiên cứu hồn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngà 30 tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Văn Lợi Trƣờng ĐHKHTN ii ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT .vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở lý thuyết vật liệu sắt điện 1.1.1 Các khái niệm vật liệu sắt điện 1.1.1.1 Tính đối xứng 1.1.1.2 Hiện tượng sắt điện 1.1.1.3 Hiện tượng phản sắt điện 1.1.1.4 Hiện tượng hỏa điện 1.1.1.5 Hiện tượng áp điện 1.1.2 Lý thuyết chuyển pha sắt điện Ginzburg – Landau 1.1.3 Đômen sắt điện 10 1.1.3.1 Sự hình thành men 10 1.1.3.2 Cấu trúc đô men tĩnh vật liệu màng mỏng 11 1.1.3.3 Phân bố véctơ phân cực 13 1.1.3.4 Chuyển vách đô men sắt điện 14 1.2 Tổng quan vật liệu PZT 15 1.2.1 Cấu trúc định hướng ưu tiên 15 1.2.2 Điều khiển cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT 17 1.2.3 Điều khiển tính chất sắt điện màng mỏng PZT 17 1.3 Một số ứng dụng mảng mỏng PZT 18 1.3.1 Ứng dụng linh kiện MEMS NEMS 18 1.3.1.1 Cảm biến MEMS/NEMS 18 1.3.1.2 Vật liệu cho MEMS áp điện 19 Trƣờng ĐHKHTN iii ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 1.3.2 Ứng dụng nhớ FeRAM 22 1.4 Một số phƣơng pháp chế tạo màng mỏng PZT 24 1.4.1 Phương pháp vật lý 24 1.4.1.1 Phún xạ 24 1.4.1.2 Ngưng kết xung laser 25 1.4.2 Phương pháp hóa học 26 1.4.2.1 Phương pháp lắng đọng pha hóa học 26 1.4.2.2 Phương pháp sol – gel 27 1.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ 28 CHƢƠNG - THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT 30 2.1 Quy trình chế tạo màng mỏng PZT phƣơng pháp Sol-gel 30 2.1.1 Nguyên lý quay phủ spin-coating 30 2.1.2 Dung dịch tiền chất 31 2.1.3 Quá trình chế tạo màng mỏng PZT 31 2.1.3.1 Chuẩn bị 31 2.1.3.2 Quy trình chế tạo màng mỏng PZT 32 2.2 Quy trình chế tạo tụ điện sắt điện 33 2.2.1 Hệ phún xạ điện cực Au 33 2.2.2 Cấu trúc tụ điện sắt điện 35 2.2.2.1 Chuẩn bị 35 2.2.2.2 Điều kiện ngưng kết điện cực Au 35 2.3 Thiết bị khảo sát tính chất màng mỏng 36 2.3.1 Thiết bị khảo sát cấu trúc tinh thể (XRD) 36 2.3.2 Thiết bị SEM AFM 38 2.3.2.1 Kính hiển vi điện tử quét SEM 38 2.3.2.2 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 39 2.3.3 Hệ đo tính chất điện 40 2.3.3.1 Nguyên lý phép đo độ phân cực điện 40 2.3.3.2 Nguyên lý phép đo dòng rò 41 2.3.3.3 Hệ đo điện trễ Radiant Precision LC 10 42 Trƣờng ĐHKHTN iv ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 2.4 Tối ƣu hóa tính chất màng mỏng PZT 43 2.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ 43 2.4.2 Ảnh hưởng môi trường ủ Ozone 43 CHƢƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT 45 3.2 Hình thái bề mặt PZT 51 3.2.1 Kết khảo sát hình thái bề mặt SEM 51 3.2.2 Kết khảo sát hình thái bề mặt AFM 54 3.3 Hiệu chỉnh kích thƣớc điện cực vàng 56 3.4 Kết khảo sát tính chất điện 58 3.4.1 Đặc trưng điện trễ 58 3.4.2 Đặc trưng dòng rò 62 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 71 Trƣờng ĐHKHTN v ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử CMOS Complementary Metal-Oxide Bán dẫn ô-xit kim loại bù Semiconductor CVD Phương pháp lắng đọng từ pha Chemical vapor deposition DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ đọc lập trình có Read Only Memory thể xóa điện Ferroelectric Random Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt Memory điện MEMS Microelectromechanical systems Hệ cảm biến vi điện micro MOCVD Metal Organic Chemical vapor Lắng đọng pha hóa học sử Deposition dụng tiền chất kim loại - hữu MPB Mophotropic Phase Boundary Biên pha hình thái NEMS Nanoelectromechanical systems Hệ cảm biến vi điện nano NVRAM Non-Volatile Random-Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Memory không bay Chemical Vapor Deposition Using Lắng đọng pha hóa học sử Plasma Enhanced dụng plasma tăng cường PFM Piezoresponse force microscopy Kính hiển vi lực hồi đáp áp điện PLD Pulsed Laser Deposition Phương pháp laser xung PLZT PZT with Lanthanum doping PZT pha tạp la PZT Lead Zircronate Titanate Pb1.2Zr0.4Ti0.6O3 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét FeRAM PECVD Trƣờng ĐHKHTN vi ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực phương pháp phún xạ…… … 35 Bảng 3.1: Các kết tính tốn từ ph nhiễu xạ tia X…………………… 50 Bảng 3.2: Độ giãn nở nhiệt màng mỏng……….……………………….61 Trƣờng ĐHKHTN vii ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường cong điện trễ vật liệu sắt điện [29] Hình 1.2: Đường cong phản sắt điện Eext  Ec biến đ i thành chất sắt điện Hình 1.3: Bản tinh thể hỏa điện với véctơ phân cực P cực A, thay đ i nhiệt độ dẫn tới dòng điện i thay đ i Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hiệu ứng áp điện thuận áp điện nghịch [14] Hình 1.5: Năng lượng tự hàm độ phân cực hệ sắt điện chuyển pha loại hai [1] Hình 1.6: Năng lượng tự hàm độ phân cực hệ sắt điện chuyển pha loại Hình 1.7: Sự phụ thuộc độ cảm điện mơi số điện môi vào nhiệt độ chuyển pha loại [1] 10 Hình 1.8: Cấu trúc đô men PZT cấu trúc tứ giác với định hướng khác [28] 12 Hình 1.9: a) Đặc trưng điện dung (C-V) b) Đường cong điện trễ vật liệu sắt điện [5] 13 Hình 1.10: Giản đồ pha hệ Pb(ZrxTi1-xO3),  x  [4] 16 Hình 1.11: Cấu trúc tinh thể PZT theo nhiệt độ 16 Hình 1.12: Ảnh hưởng tỷ lệ Zr:Ti lên số điện môi hệ số áp điện PZT [33] 17 Hình 1.13: Cấu trúc tinh thể wurtzite ZnO [3] 20 Hình 1.14: Sự biến dạng sắt điện điển hình cấu trúc perovskite ABO3 20 Hình 1.15: Các cảm biến thơng dụng mơ hình dẫn động hệ vi điện tử áp điện [20] 21 Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động nhớ FeRAM [32] 22 Hình 1.17: Nguyên lý phún xạ Hệ phún xạ cao áp chiều [22] 24 Hình 1.18: Sơ đồ bốc bay laser xung [22] 25 Hình 1.19: Các sản phẩm kỹ thuật sol-gel [25] 27 Hình 2.1: Quá trình quay phủ 30 Hình 2.2: Dụng cụ hóa chất dùng để chế tạo màng PZT 31 Hình 2.3: Lị ủ nhiệt chậm, phịng thí nghiệm trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 32 Hình 2.4: Quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm 32 Hình 2.5: (a) Hình ảnh mẫu sau ủ nhiệt, (b) chi tiết lớp mẫu 33 Hình 2.6: Máy phún xạ cao áp chiều trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 34 Hình 2.7: Phún xạ cao áp chiều 34 Hình 2.8: a) Màng PZT sau ủ nhiệt; b) Mặt nạ sử dụng chế tạo điện cực 35 Hình 2.9: (a) Hình ảnh chụp mẫu sau phủ điện cực Au; (b) Cấu trúc tụ điện sắt điện Au/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si 36 Hình 2.10: Sơ đồ tán xạ chùm tia X mặt phẳng tinh thể 37 Hình 2.11: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU 37 Hình 2.12: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM 38 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý tạo ảnh SEM 38 Hình 2.14: (a) Hình ảnh chụp đo ph lực AFM, (b) Sự biến đ i lực tương tác mũi dò bề mặt mẫu theo khoảng cách 40 Trƣờng ĐHKHTN viii ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Hình 3.21: Ảnh điện cực Au phủ màng mỏng PZT Để so sánh kích thước điện cực so với kính thước lỗ trịn mặt nạ chúng tơi tiến hành đo kích thước điện cực bề mặt mẫu kính hiển vi quang học Hình 3.19b thu kết Hình 3.22 Hình 3.22: Ảnh kích thước thực sau phún xạ Từ kết đo chúng tơi nhận thấy kích thước điện cực thực tế xuất bề mặt mẫu lớn kích thước lỗ trịn mặt nạ từ 4% đến 10%, điều giải thích q trình phún xạ ngun tử vàng từ bia đến đập vào mặt nạ sau đến mẫu Do mặt nạ mẫu có khoảng cách nhỏ O1O2 (Hình 3.23) mặt nạ nằm bia mẫu, tương tự ánh sáng từ nguồn sáng điểm qua lỗ bị nhiễu xạ quan sát đặt sau lỗ tròn thu kích thước lớn Từ chúng tơi nhận thấy kích thước điện cực vàng tăng dẫn tới tốn nhiên liệu nhiên làm cho trình đo tính chất điện tụ điện dễ dàng Trƣờng ĐHKHTN 57 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Có thể hiệu kích thước thước điện cực bề mặt mẫu cách, giảm khoảng cách O1O2 mặt nạ màng, trình phún xạ vị trí bia-mặt nạ-màng phải nằm đường thẳng vng góc với màng Hình 3.23: Mơ hình phún xạ điện cực Au 3.4 Kết khảo sát tính chất điện 3.4.1 Đặc trƣng điện trễ Sau chế tạo thành công điện cực vàng tiến hành khảo sát tính chất điện mẫu màng mỏng PZT ủ nhiệt độ từ 450oC đến 650oC lị ủ nhiệt chậm mơi trường ozone Hình 3.24 đặc trưng điện trễ mẫu PZT 450oC Hình 3.24: Đặc trưng điện trễ màng mỏng PZT nhiệt độ 450oC môi trường ozone Trƣờng ĐHKHTN 58 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Hình 3.25: Đặc trưng điện trễ màng mỏng Hình 3.26: Đặc trưng điện trễ màng mỏng PZT nhiệt độ 500oC môi trường ozone PZT nhiệt độ 550oC môi trường ozone Hình 3.27: Đặc trưng điện trễ màng mỏng Hình 3.28: Đặc trưng điện trễ màng mỏng PZT nhiệt độ 600oC trrong môi trường ozone PZT nhiệt độ 650oC môi trường ozone Quan sát đường đặc trưng điện trễ nhận thấy đường đặc trưng điện trễ chưa bão hịa, khơng thể rõ đặc trưng vật liệu sắt điện, tiếp xúc điện cực vàng màng mỏng Điều thể kết khảo sát bề mặt thông qua kết ảnh SEM AFM Như nghiên cứu rộng rãi, điện cực Au thường sử dụng làm điện cực tính bền vững hố học Trong nghiên cứu này, điện cực Au sử dụng để khảo sát đặc trưng điện trễ thể từ Hình 3.25 đến Hình 3.28 Ở đây, kết nghiên cứu màng mỏng PZT phủ điện cực Pt (Hình 3.29) đánh giá đặc trưng điện trễ dẫn chứng lại để so sánh [4] Trƣờng ĐHKHTN 59 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Hình 3.29: Đặc trưng P-E màng mỏng PZT M600 môi tường N2:O2 [4] Khi sử dụng điện cực Pt làm tăng khả tiếp xúc với màng PZT, điều dự đốn cấu trúc tinh thể Pt PZT có cấu trúc tương đồng Thể Hình 3.29 đường cong điện trễ đường đối xứng, giá trị độ phân cực dư, độ phân cực bão hòa giảm, điều thể rõ dàng đặc trưng sắt điện mẫu 5V Tuy màng mỏng PZT lợi kết tinh môi trường ủ ozone với kết XRD trình bày mục 3.1 kết ảnh SEM trình bày mục 3.2.1, sau phủ điện cực vàng lại cho đường điện trễ chưa bão hòa Xét mặt vi mơ, hình thái bề mặt bị nứt gãy màng mỏng PZT Hình 3.30a gây nối tắt cực cực tụ điện (a) (b) Hình 3.30: Hình ảnh nứt gẫy màng mỏng PZT trước phủ điện cực Au Trƣờng ĐHKHTN 60 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Như vậy, từ Hình 3.30a thấy đường điện trễ khơng thể đặc trưng sắt điện, ngun nhân hình thái bề mặt màng có dấu hiệu bị nứt gẫy Điều giải thích q trình ủ nhiệt, ảnh hưởng nhiệt độ ủ bề dày lớp PZT ảnh hưởng đến liên kết phân tử PZT Một phần giãn nở nhiệt lớp màng mỏng PZT-Pt, Pt-TiO2, TiO2-SiO2/Si có giãn nở khác nhiệt độ ảnh hưởng đến kết tinh màng mỏng PZT Bảng 3.2: Độ giãn nở nhiệt màng mỏng Màng mỏng Độ giãn nở nhiệt Tài liệu tham khảo (μm.m-1.K-1/20oC) Si 2,56 [8] SiO2 0,5 [47] Pt [46] PZT [48] Chi tiết hình ảnh nứt gẫy sau đem màng mỏng phủ điện cực Au mơ tả Hình 3.31 Chỗ màng PZT mỏng gây dòng rò lớn (a) (b) Hình 3.31: Hình ảnh nứt gẫy màng mỏng PZT sau phủ điện cực Au Trƣờng ĐHKHTN 61 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Để làm đánh giá chi tiết tính chất điện màng mỏng PZT, đặc trưng dòng rò khảo sát phần 3.4.2 Đặc trƣng dòng rò Đặc trưng dòng dò cho biết lượng tiêu hao trạng thái nghỉ thiết bị song song với việc xác định đặc trưng điện trễ (P-E) tiếp tục khảo sát đặc trưng dòng rò màng mỏng PZT nhiệt độ khác từ 450oC đến 650oC Hình 3.32, Hình 3.33, Hình 3.34, Hình 3.35 Hình 3.36 Hình 3.32: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT Hình 3.33: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT nhiệt độ 450 C môi trường ozone nhiệt độ 500oC mơi trường ozone o Hình 3.34: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT Hình 3.35: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT nhiệt độ 550 C môi trường ozone nhiệt độ 600oC môi trường ozone o Trƣờng ĐHKHTN 62 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi Dễ nhận thấy dòng rò mẫu lớn khoảng 5.10-5 (A) khơng có thay đ i nhiều theo nhiệt độ Hình 3.36: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT nhiệt độ 650oC môi trường ozone Hình 3.37: Đồ thị I(t) màng mỏng PZT ủ 600oC môi trường N2:O2 [4] So sánh với mẫu PZT ủ nhiệt độ 600oC mơi trường khơng khí (Hình 3.37) chúng tơi thấy dịng rị xấp xỉ cịn lớn (5.10-5A) nên khơng có lợi cho thiết bị gây t n hao lớn mặt lượng Điều hình ảnh nứt gẫy màng mỏng PZT (Hình 3.31) Khi thực phép đo đặc Trƣờng ĐHKHTN 63 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi trưng điện trễ, đặc trưng dòng rò đầu đo tiếp xúc điểm A, B cho kết khác vị trí tiếp xúc Nếu hai đầu đo tiếp xúc với hai điện cực A-A A-B dự đốn cho dịng rị lớn, ngun nhân vị trí điểm A điện cực vàng tiếp xúc với lớp PZT bị nứt gãy có bề dày mỏng Khi hai đầu đo tiếp xúc với hai điện cực B-B lớp điện cực Au tiếp xúc với lớp PZT có bề dày lớn so với vị trí khác mẫu, cho kết dịng rị thấp ~ 10-5 A Như vậy, xử lý nhiệt môi trường ủ ozone có hoạt tính ơxi hố mạnh mơi trường khơng khí giảm nhiệt độ kết tinh, hình ảnh vi mơ cho thấy rõ biên hạt, ảnh vĩ mô cho thấy tồn vết nứt gẫy, mà nguyên nhân sốc nhiệt từ lớp có độ giãn nở nhiệt khác Để khắc phục tượng nứt gẫy bề mặt màng mỏng PZT, quy trình ủ đệm nên áp dụng, tức sau sấy 250oC, mẫu màng ủ đệm 350oC-400oC, trước nâng lên nhiệt độ cao Đây định hướng nghiên cứu để cải thiện tính chất điện màng mỏng PZT Trƣờng ĐHKHTN 64 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi KẾT LUẬN Dựa sở kết thực nghiệm thu trình thực luận văn, số kết luận t ng hợp trình bày sau: Chế tạo thành công màng mỏng PZT phương pháp dung dịch đế Pt/TiO2/SiO2/Si phương pháp dung dịch, tối ưu q trình ủ nhiệt kết tinh mơi trường khí ozone Kết cho thấy màng mỏng PZT đạt cấu trúc perovskite đơn pha định hướng ưu tiên (111) Chế tạo thành công điện cực vàng (Au) ứng dụng cho tụ điện sắt điện phương pháp phún xạ, sử dụng hệ phún xạ cao áp chiều Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Hiệu chỉnh thành công kích thước điện cực vàng (Au) để làm tiền đề đánh giá mật độ phân cực điện dư dòng rò cho nghiên cứu Đã khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, đặc trưng điện trễ P-E đặc trưng dòng rò I-t tụ điện sắt điện Au/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Kết phân tích XRD cho thấy màng mỏng PZT ngồi định hướng (111) cịn có định hướng phụ (100) (200), hình thái bề mặt hình thành với kích thước hạt từ 30 nm đến 150 nm So với nghiên cứu trước đây, điều kiện chế tạo, thay đ i mơi trường ủ khơng khí 4N mơi trường ozone màng mỏng PZT ủ môi trường ozone làm giảm nhiệt độ kết tinh màng mỏng PZT xuống, từ 550oC (hoặc 600oC) xuống cịn 450oC Đã khảo sát tính chất điện tụ điện sắt điện chế tạo điện cực vàng, kết cho thấy đường điện trễ Au/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si chưa có dấu hiệu bão hịa, dịng rị cịn cao cỡ 5.10-5A Ngun nhân bề mặt nứt gẫy màng mỏng PZT gây Trƣờng ĐHKHTN 65 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thị Quỳnh Chi, Nguyễn Vũ Cẩm Bình, Nguyễn Đức Minh, Vũ Ngọc Hùng (2013), “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng sắt điện – điện PZT phương pháp sol-gel định hướng ứng dụng cảm biến sinh học”, Tạp chí khoa học công nghệ lâm nghiệp, (1), tr 57-64 T.V.Chương (2002), Chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý gốm áp điện hệ PbTiO3 pha tạp La, Mn Luận án tiến sĩ, Hà Nội Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr 18-32 Nguyễn Huy Tiệp (2013), Nghiên cứu tính chất màng mỏng PZT cấu trúc nano chế tạo phương pháp dung dịch định hướng ứng dụng cho nhớ sắt điện, Luận văn thạc sĩ Vật liệu Linh kiện nano, Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Tiếng Anh Ahn C H., Rabe K M., and Triscone J.-M (2004), Ferroelectricity at the nanoscale:Local polarization in oxide thin Films and heterostructures Science, pp 303-488 Auciello O., Dat R and Ramesh R (1996), “Ferroelectric Thin Films”, eds Araujo C., Scott J.F., and Taylor G.W., Gordon & Breach, New York, p.525 Arlt G (1990), “Twinning in ferroelectric and ferroelastic ceramics: stress relief”, J of Materials Science 25, Issue 6, pp 265-266 Becker, P., Seyfried, P., Siegert, H (1982), “The lattice parameter of highly pure silicon single crystals”, Zeitschrift fur Physik B Condensed Matter 48, pp 17 Burr G.W., Kurdi B.N., Scott J.C., Lam C.H., Gopalakrishnan K., Shenoy R.S (2008), “Overview of candidate device technologies for storage-class memory”, IBM J.Res & Dev, 52, pp 449-464 Trƣờng ĐHKHTN 66 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 10 Chen B., Yang H., Zhao L., Miao J., Xu B., Qiu X.G., Zhao B.R., Qi X.Y., Duan X.F (2004), “Thickness and dielectric constant of dead layer in Pt/(Ba0.7Sr0.3)TiO3/YBa2Cu3O7-x capacitor”, Appl Phys Lett., 84 (2004), pp 583-585 11 Damjanovic D (2010), “A morphotropic phase boundary sytem based on polarization rotation and polarization extension", App Phys Lett, 97(6), p 062906 12 Majumder S B., Roy B., Katiyar R.S., Krupanidhi S.B (2001), Effect of axepto and donor dopants on polarization components of lead zirconate titanate thin films, Applied Physics Letters, 79, pp 239–242 13 Masuda Y and Nozaka T (2003), The influence of various upper electrodes on fatigue properties of perovskite Pb(Zr,Ti)O3 hi fi , Jpn J Appl Phys, Part 1, 42, pp 591 14 Ekinci K.L., Roukes M.L (2005), “Nanoelectromechanical systems”, Rev Sci Instrum, 76, p 061101 15 Fesenko O E., Kolesova R V., and Sindeyev Yu G (1978), “The structural phase transition in lead zirconate in super-high electric Fields”, Ferroelectr., 20, pp 177 16 Fong D., Stephenson G B., Streifer S K., Eastman J A., Auciello O., Fuos P H., and Thompson C (2004), Ferroelectricity in ultrathin perovskite films, Science 304, 1650 17 Fu H.X., Cohen R.E (2000), “Polarization rotation mechanism for ultrahigh electromechanical response in single-crystal piezoelectrics”, Nature, 403, p 281 18 Gao Y., Masuda Y., Yonezawa T., Koumoto K (2003), “Preparation of SrTiO3 thin films by the liquid phase deposition method”, Materials Science and Engineering, B99, pp 290-293 Trƣờng ĐHKHTN 67 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 19 Gerber P., Bottger U., and Waser R (2006), “Composition influences on the electrical and eletromechanical properties of lead zirconate titanate thin film”, J Appl Phys, 100, pp.105-124 20 Haeni J.H., Irvin P., Chang W., Uecker R., Reiche P., Li Y.L., ChodhuryS., Tian W., Hawley M.E., Craigo B., Tagantsev A.K., pan X.Q., Streiffer S.K., Chen L.Q., Kirchoefer S.W., Levy J., Schlom D.G (2004), “Roomteperature ferroelectricity in strainned SrTiO3”, Nature, 430, p 758 21 Hanold H., Clart R F (1975), U S Patent, 4, pp 081, 857 22 Hong E.K., Trolier-McKinstry S., Smith R.L., Krishnaswamy S.V., Freidhoff C.B (2006), “Design of MEMS PZT circular diaphragm actuators to generate large deflections”, J Microelectromech Syst, 15(4), p 832 23 Ikuta K., Tsukada M (1998), “Low-temperature deposition of SrTiO3 thin films by electron-cyclotron-resonance sputtering for monolithic microwave integrated circuits operating in the mm-wave band”, Japanese Journal of Physics, 37, pp 1960-1963 24 Junquera J and Ghosez Ph (2003), Critical thickness for ferroelectricity in perovskite ultrathin films, Nature, pp 422-506 25 Kuwabara H., Menou N., Funakubo H., Appl Phys Lett 90 (2007), p 222901 26 Larson J.M., Member, IEEE, and Snyder J.P (2006),“Overview and status of metal S/D schottky- barrier Mosfet technology”, IEEE Transactions on Electron Devices, 53(5), pp 1048-1058 27 Lohse O., Bolten D., Grossmann M., and Waser R., Hartner W., and Schindler G (1998), Ferroelectric Random Access Memories: Fundamentals and Applications, Mater Res Soc Proc 267 Springer-Verlag, BerlinHeidelberg-New York 28 Loginow V.E, Hollmann E.K., Kozyrev A.B., and Prudan A.M (1997), “Preparation of SrTiO3 films on sapphire substrate by RF magnetron sputtering”, Vacuum, 51(2), pp 141-143 Trƣờng ĐHKHTN 68 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ 29 Park B.H., Kang B.S., Nguyễn Văn Lợi Bu S.D., Noh T.W., Lee J., and Jo W (1999), “Lathanum- substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories”, Nature, 41, pp 682-684 30 Ramam K., Miguel V (2006), Microstructure, dielectric and ferroelectric characterization of Ba doped PLZT ceramics, Eur Phys J Appl Phys, 35, pp 43-47 31 Richter D (2012), Julich Centre for Neutron Science & Institute for Complex Systems, Forschungszentrum Julich, Germany; Susan Trolier-Mc Kinstry, MATSE Department, Pennsylvania State University, USA Ferroelectrics 2, NE3rd 12.book Seite 33 Dienstag, 14 Februar 2012 32 Rossetti G A., Cross L E., Kushida K (1991), Nanoelectronics and Information technology, Appl Phys Lett 59 2524 33 Shintaro Yokoyama, Yoshihisa Honda, Hitoshi Morioka, Gouji Asano, Takahiro Oikawa, Takashi Iijima, Hirofumi Matsuda and Hiroshi Funakubo (2003), Jpn J.Appl Phys 42, pp 592-596 34 Singh S.K., Kim Y.K., Funakubo H., and Ishiwara H (2006), “Epitaxial BiFeO3 thin films fabricated by chemical solution deposition”, Applied Physics Letters, 88, p 162904-1 35 Tagantsev A K., Stolichnov I., Setter N., Cross J.S., Tsukada M., (2002), “Non Kolmogorov–Avrami switching kinetics in ferroelectric thin films”, Physical Review, 66, p 109-214 36 Turova N Ya and Yanovskaya M.I (1996), “Ferroelectric Thin Films”, eds Paz de Araujo C., Scoot J.F and Taylor G.W., Gordon Breach, New York, p.233 37 Tybel T., Ahn C H., and Triscone J.-M (1999), Ferroelectricity in thin perovskite film , Appl Phys Lett pp 75, 856 38 Tybel T., Ahn C H., and Triscone J-M (1999), Ferroelectricity in thin perovskite film , Appl Phys Lett pp 75, 856 Trƣờng ĐHKHTN 69 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 39 Xue L., Qing-feng G., HaiBo L., Yang L., and Guang-Tian Z (2012), “Preparation and characterization of dense lanthanum-doped bismuth titanate ceramics”, Sci China- Phys Mech Astron, 55, pp 33-39 40 Yang C.H., Park S.S., and Yoon S.G (1997), Integ Ferroelec, pp 18, 377 41 Yang T J., Gopalan V., Swart P.J., and Mohideen U (1999), Direct Observation of Pinning and Bowing of a Single Ferroelectric Đô men Wall, Appl Phys Lett., pp 82, 4106 42 Yang J K., Kim W S., and Park H H (2001), Effect of grain size of Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 sol-gel derived thin film on the ferroelectric properties , Appl Surf Films, pp 169, 544 43 Walter Heywang, Karl Lubitz, Wolfram Wersing, Editors (2008), Piezoelectricity, evolution and Future of a Technology, Springer 44 Waser R.U, Tiedke S (2005), Polar Oxides: Properties, Characterization and Imaging, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Germany 45 Whatmore R W (1999), Ferroelectrics, microsystems and nanotechnology Ferroelectric, 225, pp 179 46 [Online] https://psec.uchicago.edu/thermal_coefficients/cte_metals_05517- 90143.pdf 47 [Online] https://123doc.org/document/4411854-cau-tao-va-tinh-chat-vat-li- sio2.htm 48 [Online] https://www.researchgate.net/figure/234979312_Thermal-expansionof-Si-Si-O-2-Pt-and-PZT-in-the-temperature-range-between-the Trƣờng ĐHKHTN 70 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ D.H Minh, N.V Loi, N.H Duc, B.N.Q Trinh (2016), “Low-temperature PZT thin-film ferroelectric memories fabricated on SiO2/Si and glass substrates”, Journal of Science – Advanced Materials and Ddevices, (2016), tr 75-79 N.V Loi, V.V Loi, B.Q.H Hoang, D.H Minh, B.N.Q Trinh, “Nanoimprinting Lithography Patterned Thin-Film Transistors with SnDoped Indium Oxide Channel”, TACT2017 International Thin Films Conference, Oct.15–18, 2017, Hualien, Taiwan (invited talk) Trƣờng ĐHKHTN 71 ĐHQG HN TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... - NGUYỄN VĂN LỢI TỐI ƢU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA MÀNG MỎNG PZT ĐƢỢC XỬ LÝ NHIỆT VÀ KẾT TINH TRONG MÔI TRƢỜNG OZONE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC... luận văn xác định là: ? ?Tối ƣu tính chất sắt điện màng mỏng PZT đƣợc xử lý nhiệt kết tinh mơi trƣờng ozone? ?? Trong đó, nội dung nghiên cứu luận văn tập trung: - Nghiên cứu chế tạo màng mỏng PZT. .. khác để tìm điều kiện tối ưu - Khảo sát cấu trúc tính chất lớp màng mỏng sắt điện PbZr0.4Ti0.6O3 đế PZT/ Pt/TiO2/SiO2/Si ủ mơi trường ozone để tối ưu hóa tính chất điện màng mỏng Trƣờng ĐHKHTN 29