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 04 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 liệu & kết cấu, Bộ mơn 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 Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến người em, bạn nhiệt tình giúp đỡ thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án Tơi mong muốn cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ, quan tâm, hỗ trợ tơi cơng việc để tơi có điều kiện thực luận án Cuối cùng, xin gửi tới người thân u gia đình nhỏ tơi lịng biết ơn sâu sắc Sự động viên, hỗ trợ hi sinh thầm lặng bố mẹ, vợ con, anh em 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 04 năm 2022 Nghiên cứu sinh Trần Thế Quang i 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 .1 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 .6 1.2.1 Vật liệu sắt điện 1.2.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu sắt điện .7 1.2.3 Phân cực tự phát .8 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 MƠ HÌNH VỎ - LÕI CHO VẬT LIỆU PbTiO3 VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHẢO SÁT SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN 38 2.1 Vai trò hàm mô 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 PbTiO 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 phân cực 62 2.5 Kết luận 63 Chương NGHIÊN CỨU CÁCH TẠO XỐY 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 xốy phân cực màng nano PbTiO3 67 3.2.2 Xây dựng xoáy phân cực sợi nano PbTiO 68 3.2.3 Xây dựng xoáy phân cực hạt nano PbTiO3 70 3.3 Phương pháp tạo xoáy điều khiển xoáy phân cực đơn điện trường 71 3.4 Kết luận 75 Chương KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG VÀ KHUYẾT TẬT HÌNH HỌC ĐẾN XOÁY 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 khơng 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 o 4.3.3 Ảnh hưởng khuyết tật lệch tường miền phân cực 180 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 o 180 DW Diễn giải Tường miền phân cực 180 90 DW Å o Tường miền phân cực 90 Angstrom a, c Thông số mạng tinh thể Đơn vị o o 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, c T 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 E Dynamic random access memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện động 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 Electrically erasable programmable read - Only memory EPROM Erasable programmable read - Only memory FeFET FET Flash ` Chuyển vị tương đối ion Ferroelectric field effect transistors - Bóng bán dẫn hiệu ứng trường sắt điện Field effect transistor - Bóng bán dẫn hiệu ứng điện trường Flash memory - Bộ nhớ điện tĩnh vi NVFRAM (FRAM) GGA GPa GULP Ĥ HEG k-point LDA Non-Volatile Ferroelectric Random Access Memories Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không liệu ngắt nguồn Generalized Gradient Approximation - Xấp xỉ độ dốc tổng quát Gigapascal 10 N/m General Utility Lattice Program Tốn tử Hamilton Homogeneous electron gas - Khí điện tử đồng Lưới chia Monkhorst-Pack Local density approximation - Xấp xỉ mật độ địa phương Masked ROM Masked Read - Only Memory - Bộ nhớ đọc lập MD MFSFET MOSFET Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor - Bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại sắt điện N Metal oxide Semiconductor Field Effect Transistor Bóng bán dẫn hiệu ứng trường xít kim loại Tổng số ion mơ hình ns Nanosecond O Nguyên tố oxy P Độ phân cực p Mô men lưỡng cực điện Ngun tố Chì P-E PLZT Vịng lặp trễ phân cực với điện trường (đường cong điện trễ) PbLaZrTiO3 - Lead Lanthanum Zirconate Titanate PMN Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Prmax PROM - μC/cm μC.cm Pb Pr ` trình Molecular dynamics - Động lực học phân tử Remanent polarization - Phân cực dư μC/cm Phân cực dư lớn μC/cm 2 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/cm q Điện tích μC qc Điện tích hạt nhân nguyên tử μC qe Điện tích đám mây điện tử μC QE Quantum Espresso q i, q j 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 T Dynamic random access memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện tĩnh Nhiệt độ tuyệt đối K t Thời gian s T[ ] Động SRAM 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 cm eV/Å y(r,t) ` Spontaneous polarization Hàm sóng, biên độ xác suất cho cấu hình khác hệ Hằng số điện môi viii