Nghiên ứu hế tạo và khảo sát tính hất điện ủa màng mỏng sắt điện không hì bszt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU  LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất điện màng mỏng sắt điện khơng chì BSZT PHẠM THỊ NGUYỆT Khoa học Vật liệu -Vật liệu điện tử HÀ NỘI, 06/2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132019851000000 CỘNG HÒA XÃ HỘ I CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạ nh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác gi ả luận văn : Phạm Thị Nguyệ t…… .…………… Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất màng mỏng sắt điện khơng chì n ền barium titanate ứng dụng lĩnh vực tích trữ lượng Chuyên ngành: Khoa học vật liệu – vật liệu điện tử…………… Mã số SV: CB180067…………………… ………………… … Tác giả, Người hướ ng dẫ n khoa học H ội đồng chấ m luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/06/2020 với nội dung sau: - Điều chỉnh tên luận văn: ’’Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất điện màng mỏng sắt điện khơng chì BSZT” - Chỉnh sửa lỗi tả, in ấn, Hà Nội, ngày Giáo viên hướng dẫn TS Vũ Thu Hiền tháng năm Tác giả luận văn Phạm Thị Nguyệt CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS TS Vũ Ngọc Hùng LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian đƣợc h ọc tập nghiên cứu Vi ện Đào Tạo Quốc Tế Về Khoa H ọc Vật Liệu (ITIMS) – Trƣờng Đạ i Học Bách Khoa Hà Nội mang lại cho nhiều kiế n thứ c bổ ìch thú vị nhờ có quan tâm, giúp đỡ nhiệt tính thầ y cô bạn Trƣớc hết xin bày tỏ lịng kình trọng biết ơn sâu sắc đến TS Vũ Thu Hiền, ngƣờ i thầy/cô ln tận tính hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho trính thự c luận văn Những lúc gặp khó khăn cản trở công việc nhƣ sống, ln bên quan tâm, động viên, khìch lệ tơi kịp thời Khi có đợt thực nghiệm chƣa đƣợc kết quả, cô ngƣời đƣa lời khuyên thay đổi đƣờng hƣớng nghiên cứu kịp thời q trính nghiên cứu Nhờ mà thu đƣợc nhiều kết nghiên cứu lu ận văn Cô nhà khoa học mẫu mực, truyền cảm hứng, truyền lửa cho giúp tơi vƣợt qua thử thách, khó khăn để học tập, để nghiên cứu khoa học vƣơn tới đỉnh cao trì thức Tơi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, Viện Đào tạo Sau đại học Viện Vật lý kỹ thuật, trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thời gian, vật chất tinh thần giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Vũ Ngọc Hùng, TS Ngô Đức Quân, NCS Nguy ễn Thị Minh Phƣơng, NCS Đặng Thị Hà, anh chị bạn phịng nghiệm MEMS, Viện ITIMS, trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội động viên chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học có nhữ ng thảo luận đóng góp bổ ìch giúp tơi hồn thiện luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Phạm Thị Nguy ệt TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất điệ n màng mỏng sắt điện khơng chì BSZT” Tác giả luận văn: Phạm Thị Nguyệt Khóa: CH2018B Từ khóa (Keyword): xBST-(1-x)BZT ferroelectric materials, thin films, dopedBaTiO3 thin films, sol-gel technology, microstructures, electrical properties Ngƣời hƣớng dẫn: TS Vũ Thu Hiền Vật liệu áp điện/sắt điện khơng chí thân thiệ n với môi trƣờng ngày đƣợc quan tâm nghiên cứu khìa cạnh nghiên cứu lẫn nghiên cứu ứng dụng nhằ m thay cho vật liệu chứa chí truyền thống Tuy nhiên, nhƣợc điểm chình nh ững hệ vật liệu áp điện khơng chí là: (i) dải nhiệt độ kết tinh hẹp; (ii) tình chất sắt/áp điện thấp; (iii) có tình ăn mòn cao diện c nguyên tố kim loại kiềm nhƣ Na, Ba, Ca, Sr K dễ bay hơi, đó, vật liệu chế tạo đƣợc thƣờng khó đạt h ợp phần chình xác nhƣ mong muốn Trong nghiên cứu tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát tình chất điện màng mỏng sắt điện khơng chí BSZT” Màng mỏ ng BSZT với tỉ lệ thành phần: Ba0.85Sr0.15Zr0.1Ti0.9O3 đƣợc lắng đọng đế điện cự c Pt, LaNiO3 (LNO) SrRuO3 (SRO) b ằng kỹ thuật quay ph ủ sol-gel, sau đƣợc kết tinh nhiệt độ ủ 600 - 750 oC Kết nhiễu x tia X cho thấy màng BSZT cho kết tinh tốt, đơn pha đa tinh thể với cấu trúc pha tứ giác ủ kết tinh 650 oC/30 phút mơi trƣờng khơng khì có định hƣớng tinh thể ƣu tiên theo mặt (h00) đế SRO & LNO cho định hƣớng ng ẫu nhiên đế Pt Màng BSZT quay phủ lớp cho chiều dày ~ 235 nm với bề mặt nhẵn phẳng khơng bị nứt gãy Phổ phân tìch thành phần XPS cho thấy màng mỏng BSZT chứa nguyên tố Ba, Sr, Zr, Ti, O gần bề mặt màng Mật độ dòng rò thu đƣợc đế Pt LNO nhỏ, với giá trị J~ 1.95  10-10 A/cm2 1.83  10 -10 A/cm tƣơng ứng, cho thấy màng kết tinh tốt Hằng s ố điện môi,  màng khảo sát ba điện cực cho thấy SRO >LNO >  Pt, tƣơng ứng với giá trị tình tốn đƣợc t đƣờng cong C-V điện trƣờng E = lần lƣợt là: 559; 373 215 Tuy nhiên tổn hao điện môi, tan màng điện cực SRO lại lớn ~ 0.2029 gấp 1.68 lần điện cực Pt gấp 6.85 lần điện cực LNO MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢ NG BIỂU vii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu cấu trúc Pervoskite 1.2 Tình chất sắt điện vật liệu cấu trúc Pervoskite 1.3 Sắt điện Relaxor 1.3.1 Tình chất điện mơi sắt điện Relaxor 1.3.2 Sự tồn vùng phân cực nano thông qua số bằ ng chứng thực nghiệm 10 1.4 Biên pha hính thái học chuyển pha đa hính .14 1.5 Tính hính nghiên cứu vật liệu áp điện/sắt điện khơng chí nƣớc 16 Kết luận chƣơng 1: 19 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 21 2.1 Kỹ thuật sol - gel chế tạo màng mỏng BSZT 21 2.1.1 Quy trính chế tạo tiền chất sol BSZT 23 2.1.2 Quy trính chế tạo màng mỏng BSZT 25 2.2 Quy trính quang khắc chế tạo điện cực cho màng BSZT (cấu trúc MIM) 26 2.3 Các phƣơng pháp khảo sát vi cấu trúc tình chất điện vậ t liệu 29 2.3.1 Phân tìch nhiệt vi sai nhiệt trọng trƣờng 29 2.3.2 Khảo sát cấu trúc tinh thể phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 30 2.3.4 Hiển vi điện tử quét (SEM) phân tìch hính thái học màng mỏng 32 2.3.5 Phổ kế quang điện tử tia X (XPS) phân tìch thành phần mẫu 32 2.3.6 Phƣơng pháp khảo sát tình chất điện vậ t liệu: Điện dung dòng rò 34 Kết luận chƣơng 2: 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬ N 37 3.1 Kết phân tìch nhiệt vi sai nhiệt vi trọng (TG - DTA) 37 PHẠM THỊ NGUYỆT i ITIMS 2018-2020 3.2 Đặc trƣng vi cấu trúc hính thái bề mặt màng mỏng BSZT 38 3.3 Thành phần trạng thái hóa học màng mỏng BSZT 43 3.4 Đặc trƣng dòng rò màng sắt điện BSZT 47 3.5 Đặc trƣng điện môi màng BSZT 50 3.5.1 Ảnh hƣởng điện trƣờng đến độ thẩm điện môi màng 50 3.5.2 Ảnh hƣởng điện trƣờng đến tổn hao điện môi màng BSZT 54 3.5.3 Ảnh hƣởng t ần số đến độ thẩ m điện môi tổn hao điện môi màng 56 TÀI LIỆU THAM KH ẢO 60 PHỤ LỤC 66 PHẠM THỊ NGUYỆT ii ITIMS 2018-2020 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng STT Ký hiệu Thuật ngữ Tiếng Anh FE Ferroelectric Sắt điện FE-SEM Field Emission Scanning Hiển vi điện tử quét Electron Microscope phát xạ trƣờng MEMS BTO BaTiO3 BCT Ba1-xCaxTiO3 Vật liệu Ba 1-xCaxTiO3 BZT Material BaZrx Ti1-x O3 Vật liệu BaZrxTi 1-xO3 BBT Material Ba0.7 Bi0.2TiO Vật liệu Ba 0.7Bi0.2TiO3 BSZT Material Ba0.85Sr 0.15Zr0.1Ti0.9O KBT Material K0.5 Bi0.5TiO 10 KNN Material K0.5Na 0.5NbO3 11 LBT Material Li0.5 Bi0.5 TiO3 Vật liệu Li0.5Bi0.5TiO3 12 PZT Material Pb(ZrTi)O Vật liệu Pb(ZrTi)O3 13 PPT Polymorphic Phase Transition Chuyển pha đa hính 14 PNR(s) Polar nanoregion(s) Các vùng phân cực vi mô 15 SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét 16 XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X PHẠM THỊ NGUYỆT MicroElectroMechanical Systems Việt Hệ vi điện tử Vật liệu Barium titanate iii Vật liệu Ba0.85Sr0.15Zr0.1Ti0.9O3 Vật liệu K0.5Bi0.5 TiO3 Vật liệu K 0.5Na0.5NbO3 ITIMS 2018-2020 17 TC The Curie temperature Nhiệt độ Curie 18 P The polarization Độ phân cực 19 Pr The remanent polarization Độ phân cực dƣ 20 Ps The saturated polarization Độ phân cực bão hòa 21  The dielectric contant Hằng số điện môi 22 tan Loss tangent Tổn hao điện môi 23 C-V Capacitance- Voltage 24 BFO Material BiFeO Đặc trƣng điện dung – điện áp Vật liệu BiFeO Phân tìch nhiệt vi sai/ 25 DSC/DTA Differential scanning calorimetry/ Differential thermal analysis PHẠM THỊ NGUYỆT iv nhiệt vi sai trọng trƣờng ITIMS 2018-2020