Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện bằng phương pháp Monte Carlo

Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện bằng phương pháp Monte Carlo

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống ở kỷ nguyên mà những thiết bị điện tử trở thànhnhững công cụ cốt yếu, thông dụng, và quen thuộc với con người trong tất cảcác phương diện đời sống xã hội Những sản phẩm kỳ diệu mà chúng ta đang

có được, những thứ mà đã và đang làm thay đổi cuộc sống của chúng ta mộtcách tiện lợi, chính là những thành tựu mang lại từ những tiến bộ khoa học và

kỹ thuật trong những thập kỷ qua Trong đó, các nghành Vật lý, Hóa học vàKhoa học Vật liệu đóng vai trò then chốt

Để làm việc với những ổ cứng có dung lượng và tốc độ truy cập dữ liệusiêu cao như trong các điện thoại thế hệ mới hay máy tính cá nhân, và máytính xách tay thì các đầu nghi và đọc rõ ràng phải thiết kế và phát triển theomột nguyên lý khác với những thiết kế truyền thống Sự ra đời của spin tử(spintronics) đã thay đổi một cách cách mạng những khái niệm cũng như thiết

kế về các thiết bị điện tử nói chung và các đầu nghi đọc từ nói riêng so vớinghành điện tử truyền thống Những khái niệm mới như các thiết bị từ trở lớn(giant magnetoresistive devices), các thiết bị van spin (spin valve devices),hay những bộ nhớ ghi từ động không tự xóa (nonvolatile magnetic randomaccess memories-MRAMs), v.v dường như bị bó hẹp một cách trừu tượng vàkhó hiểu trong nghiên cứu khoa học cơ bản, song thực tế chúng đã thâm nhậpvào trong đời sống xã hội thông qua những thiết bị điện tử tuyệt vời mà chúng

ta đang có Trong số các khái niệm đó, các thiết bị van spin trong các đầu ghi/đọc trên nguyên lý từ trở lớn không thể thiếu được những cấu trúc màng đalớp, và rõ ràng trong các cấu trúc này hiệu ứng trao đổi hiệu dịch [exchangebias (EB) effect] trở thành then chốt cho hoạt động của thiết bị EB được dùngtrong thiết bị van spin để ổn định nhiệt đối với trật tự từ của lớp từ cứng, màthiếu đi nó các trạng thái đômen của đầu đọc/ghi từ có thể không thể dự đoánđược và dẫn tới những vấn đề nan giải về độ tin cậy của thiết bị Không chỉ

bó hẹp ứng dụng trong van spin, EB còn có một ứng dụng nữa rất quan trọng

là nó có thể dùng để ổn định nhiệt các hạt từ, là viên gạch trong công nghệlưu trữ thông tin dưới dạng ghi từ (magnetic recording), giúp cho việc giảmđược kích thước hạt từ để tăng mật độ (dung lương) ghi trên một đơn vị diện

tích và thu nhỏ kích thước thiết bị mà không còn sợ sự mất mát thông tin dothăng giáng nhiệt (nghĩa là giới hạn siêu thuận từ-superparamagnetic limit)

Từ những ứng dụng to lớn đó, trong những năm gần đây, hiệu ứng traođổi hiệu dịch đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu trở lại bởi các nhà thựcnghiệm và lý thuyết trên nhiều đối tượng vật liệu khác nhau đặc biệt là cácmàng mỏng hai lớp, qua đó nhiều hiện tượng và tính chất lý thú mới đượcphát hiện Cũng chính những lý do đó, EB trở thành một trong những lĩnh vựcthen chốt của từ học và vật liệu từ Lĩnh vực này đóng góp một cộng đồngđông đạo các nhà từ học trên thế giới Mặc dù vậy nguồn gốc vi mô của hiệuứng này vẫn còn là một vấn đề tranh cãi, nguyên nhân phía sau nó là sự thiếuhụt những thông tin cũng như hiểu biết ở lớp tiếp xúc bề mặt tiếp xúc nằm sâubên trong màng mỏng, bao gồm các đặc trưng về cấu trúc hóa học và cấu hìnhspin ở cấp độ vi mô Mặc dù vậy, tính ưu việt của hiệu dịch trao đổi cho ứngdụng thực tiễn đòi hỏi sự hiểu biết một cách rõ ràng cơ chế vật lí chi phối hiệuứng đó, và đến lượt nó nảy sinh những vấn đề lý thú cho nghiên cứu cơ bản

Lý do chọn đề tài:

Song song với những phát hiện quan trong gần đây, rằng hiệu dich traođổi cũng có thể quan sát trong các tiếp xúc khác với tiếp xúc sắt từ/phản săt từtruyền thống, là phát hiện hiệu ứng trong các lớp sắt từ/sắt điện Điều đặc biệtquan trọng ở đây là trong lớp sắt điện có tồn tại pha phản sắt từ hoặc ferit từtương tác từ điện (magnetoelectric coupling effect) với pha sắt điện tạo nên 1

tổ hợp đa pha điện từ trong cùng một vật liệu Đo đó, tổ hợp này cho phépđiều khiển hiệu dịch trao đổi không chỉ bằng mỗi từ trường thông thường màcòn cả điện trường Mặc dù tiềm năng hứa hẹn này, lĩnh vực này vẫn là mộthướng nghiên cứu non trẻ, đặc biệt, các hiểu biết lý thuyết chưa được chútrọng tập trung Chính vì lý do dó, những phương pháp mô phỏng như MonteCarlo có thể là công cụ hữu ích để nghiên cứu Chính vì lí do đó, em chọn chủ

đề này cho nghiên cứu trong khóa luận của em Khóa luận của em có tên là:

Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện bằng phương pháp Monte Carlo

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là: Hệ màng hai lớp sắt từ/sắt điện

(Ferromagnet/Ferroelectrics, viết tắt là FM/FE)

Phương pháp Nghiên cứu :

- Phương pháp nghiên cứu là phương pháp mô phỏng Monte Carlo, đây

là một phương pháp tiệm cận giữa lý thuyết và thực nghiệm

Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu về tính chất và ứng dụng của sắt điện và sắt từ, đặc biệt làhiệu ứng hiệu dịch trao đổi với hệ FM/FE và hệ sắt từ/phản sắt từ truyềnthống

- Tìm hiểu phương pháp Monte Carlo để mô phỏng hệ nhiệt động nóichung, đặc biệt là mô đường cong từ trễ của hệ sắt từ Từ đó phát triển đểnghiên cứu hiệu dịch trao đổi trong màng FM/FE (xây dựng mô hình vàchương trình mô phỏng)

- Từ chương trình mô phỏng đường cong từ trễ, nghiên cứu một số tínhchất của hiệu ứng hiệu dịch trao đổi trong hệ mô hình màng FM/FE được xâydựng

Bố cục của khóa luận này gồm ba chương Chương 1 trình bày tổng quantài liệu Chương 2 trình bày phương pháp mô phỏng Monte Carlo, mô hìnhmàng hai lớp FM/FE và chương trình mô phỏng đường cong từ trễ để quansát hiệu dich trao đổi Một số kết quả mô phỏng từ mô hình được trình bày vàbàn luận trong chương 3 Cuối cùng là phần kết luận chung

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Phân loại vật liệu từ và vật liệu sắt từ

1.1.1 Nguồn gốc của tính chất từ

Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, đó là cáchhiểu đơn giản nhất về nguồn gốc của từ trường Có thể hiểu đơn giản là cácđiện tích chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện tròn, các dòngđiện tạo ra từ trường Nếu coi nguyên tử là phần tử nhỏ bé cấu tạo nên các vậtthể thì sự hình thành từ tính của nguyên tử chính là nguồn gốc tính chất từ củavật liệu

Bây giờ ta xét bài toán đơn giản một nguyên tử có một điện tử chuyểnđộng quanh hạt nhân theo mô hình Borh Mô hình Borh xét điện tử chuyển

động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc v

Lúc đó, mômen từ sinh ra do chuyển động của điện tử là:

2 1

Với I là dòng điện tròn, S là diện tích mặt phẳng giới hạn bởi dòng điện

kín Mặt khác, mômen động lượng của điện tử là : L r mvr Theo mô hìnhBorh, mômen động lượng của điện tử trên quỹ đạo bằng một số nguyên lầnhằng số Planck

điện tử Có thể hiểu spin như là mômen từ sinh ra do chuyển động tự quaycủa điện tử (hiểu một cách đơn giản) Thực tế, spin là một thuộc tính cơ bản

có nguồn gốc lượng tử Vậy, nguồn gốc của từ tính là do hai sự đóng góp:

+ Mômen từ quỹ đạo của điện tử

+ Mômen từ riêng (mômen từ spin)

Với các nguyên tử phức tạp, lớp vỏ điện tử gồm nhiều điện tử, mômen từquỹ đạo tổng cộng và cả mômen từ spin, bằng tổng các mômen từ của cácđiện tử riêng lẻ Khi tính tổng các mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin có thểxảy ra trường hợp chúng bù trừ nhau và mômen tổng hợp của nguyên tử bằng

0, còn nếu không có bù trừ thì nguyên tử sẽ có mômen từ, tức là chúng có từtính các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có lớp vỏ 3d đầy một phần như Fe,

Co, Ni đều có từ tính trong khi lớp vỏ này lấp đầy điện tử như Cu thì không

có từ tính Các hợp chất, đơn chất có chứa nguyên tố có từ tính gọi là vật liệu

từ Dưa vào đặc tính này cũng như đặc tính tương tác và trật tự từ vi mô đểphân loại vật liệu từ Sự phụ thuộc của moment từ và độ cảm từ vào nhiệt độcũng là dấu hiệu thực nghiệm để phân loại vật liệu từ

Nếu như mômen từ là thước đo độ mạnh yếu của nguồn từ, có đơn vịA.m2 thì đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật liệu từ, người ta dùng một đạilượng vật lý gọi là vectơ từ hóa _ ký hiệu là M 

.Véctơ từ hóa là tổng mômen từ trong một đơn vị thể tích:

0

M lim

m v v

P V

Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau: B = μM + H, M = χH M + H , M = χHH 0 

Với χH là độ cảm từ, nói lên khả năng cảm ứng của vật chất với từ trường







 (1.5)

Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vậtliệu từ

Hình 1.1 (a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài.

(b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ.

Các chất nghịch từ điển hình như: H2O, He, Ne, Ar, Bi, Si, Cu, Ag, Pb,…Mặc dù, Cu và Ag có mômen từ khác không khi chưa đặt trong từ trườngngoài nhưng vẫn là vật liệu nghịch từ khi đặt trong từ trường ngoài do hiệuứng nghịch từ chiếm ưu thế

1.1.3 Vật liệu thuận từ (Paramagnet)

Vật liệu thuận từ có những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ cô lập,định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt, dẫn đến độ từ hóa tổng cộng bằngkhông khi không có mặt của từ trường ngoài Khi đặt chất thuận từ trong từtrường ngoài, thì từ trường làm quay các mômen từ theo hướng của từ trường,dẫn đến từ độ của chất có giá trị dương Tuy nhiên, để định hướng hoàn toàncác mômen từ ở nhiệt độ phòng theo hướng của từ trường thì, đối với chất

thuận từ cần một từ trường lớn cỡ 107Oe Theo định luật Curie: C

T

  trong

đó, C là hằng số Curie Xem Hình 1.2.

Hình 1.2 (a) Sự sắp xếp các mômen từ trong vật liệu thuận từ.

(b) Đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ.

(c) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ.

Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt…Trước đây, người ta coicác chất thuận từ và nghịch từ là chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, cácchất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụngmạnh và không phải là từ tính yếu

1.1.4 Vật liệu sắt từ (Ferromagnet)

Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từthẩm rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ Chất sắt từ điểnhình như Fe, Co, Ni, Gd… Chất sắt từ gồm có những mômen từ nguyên tử,nhưng khác với chất thuận từ ở chỗ các mômen này lớn hơn và có khả năngtương tác với nhau Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệucác vùng đômen mà trong mỗi vùng đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàntoàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là tồn tại độ từ hóangay cả khi không có từ trường ngoài) Và nếu không có từ trường ngoài, donăng lượng nhiệt làm cho các mômen từ trong các đômen trong toàn khối sắpxếp hỗn độn, do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 Việc hình thànhđômen là để giảm thiệu năng lượng từ do trường khử từ gây ra tức là nănglương sẽ lớn khi các đường sức từ của mỗi một đôment vẫn còn nằm bênngoài chất sắt từ Tuy nhiên nếu các đường sức từ này được đóng kín do sựsắp xếp hợp lý của các đômen như trên Hình 1.3 thì sẽ có lợi về mặt nănglượng Một lý do khác là do sự cạnh tranh của dị hướng từ tinh thể (làm chomoment từ định hướng theo trục dễ tinh thế) và tương tác trao đổi (làm chocác moment từ định hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ

khối sắt từ bị phân chia thành những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi vềmặt năng lượng

Hình 1.3 Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ, giữa các vùng đômen là những vách ngăn, các vectơ mômen từ định hướng đối song song từng cặp dẫn đến từ độ

của toàn mẫu bằng 0.

Quá trình từ hóa được thê hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bấtthuận nghịch (ở từ trương nhỏ) và quá trình quay thuận nghịch và bất thuậnnghịch của đômen (trong từ trường lớn) như sau Nếu ta đặt từ trường ngoàivào vật liệu sẽ có hai hiện tượng xảy ra:

+ Sự lớn dần của các đômen từ theo phương của từ trường và giảm dầnđômen ngược chiều với từ trường (dịch vách ddoomen)

+ Sự quay của các mômen từ theo hướng của từ trường

Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta sẽ có hiện tượng bão hòa từ(magnetic saturation), lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp xong song với nhau

và trong vật liệu, về mặt lý tưởng, chỉ có một đômen duy nhất Nếu ta ngắt từtrường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lạitạo thành các đômen, tuy nhiên, các đomen này vẫn còn tương tác với nhau.Khi ta giảm từ trường về không tổng mômen từ trong toàn khối không giảmdẫn nhưng không bằng không ở từ trường bằng không Từ độ còn dư này gọi

là từ độ dư (remenant magnetization) Nếu ta đổi chiều từ trường và tăng độlớn, từ độ sẽ giảm dẫn từ giá trị dư về không Khi từ độ bằng không, ta gọi làtrạng thái khử từ và giá trị từ trường tại đó từ độ bằng không gọi là lực kháng

từ (coercivity) Nếu từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị không

về giá trị bão hòa âm Quá trình tương tự như trên nếu ta tiếp tục tăng tưtrường về không và đổi chiều rồi tăng giá trị dương của nó Điều này tạo

thành hiện tượng trễ (magnetic hysteresis) của vật liệu sắt từ như Hình 1.4.Đường cong từ hóa của chất sắt từ và chất thuận từ có điểm khác biệt làđường cong phi tuyến và đạt bão hòa khi từ trường đủ lớn đối với sắt từ, trongkhi từ độ của chất thuận từ phụ thuộc từ trường theo hàm Langevin.

Hình 1.4 Đường cong từ trễ của chất sắt từ

Hai đặc trưng cơ bản quan trọng của chất sắt từ là:

+ Đường cong từ trễ

+ Nhiệt độ Curie

Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song

song, tại đó tính từ dư của nó mất hẳn và khi T > TC thì trật tự từ trở thànhthuận từ và nghịch đảo độ cảm từ tuân theo định luật tuyến tính với T (địnhluật Curie) như hình 1.5 và khi T < TC thì chất là sắt từ Nhiệt độ TC được gọi

là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ (là chuyển pha loại 2) TC là thông sốđặc trưng cho chất và phụ thuộc vào tương tác trao đổi giữa các moment từnguyên tử Có một số sự khác biệt giữa trạng thái thuận từ của chât sắt từ vàchất thuận từ như sau Đối với sắt từ, các moment từ vẫn còn tương tác song

do thăng giáng nhiệt nên trât tự tư hỗn loạn và độ cảm từ tuân theo định luật

Hình 1.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa và nghịch đảo độ cảm từ của chất

sắt từ

Mỗi chất sắt từ có khả năng “từ hóa” và “khử từ” khác nhau Từ tính chấtnày, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơbản có 2 nhóm sắt từ:

a) Sắt từ mềm (soft ferromagnet)

Sắt từ mềm không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà “mềm” vềphương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ) Sắt từ mềm có đường trễ hẹp(lực kháng từ bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có

độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trườngngoài

Các chất sắt từ mềm truyền thống đã được biết đến như là sắt non,ferrite, Mn, Zn… Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châmđiện, lõi biến thế, lõi dẫn từ…, có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từtrường ngoài Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ

b) Sắt từ cứng (hard ferromagnet)

Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ “cứng” không phải do cơ tính cứng

mà nó là vật liệu sắt từ khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (tức là từ tính có thểgiữ được tốt dưới tác dụng của từ trường ngoài) Một ví dụ đơn giản như namchâm vĩnh cửu

Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (trên 102 Oe), nhưng chúng thường

có từ độ bão hòa không cao, mặc dù người t among đợi càng cao càng tốt.Tính “cứng” của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến nănglượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu Tức là, thông thườngcác vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể đối xứng kém ví dụ như tứgiác hay lục giác…

Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dung làm vật vậtliệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩatừ…) Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông sốcủa vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H)max có đơn vị là mật độ nănglượng J/m3, là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thểtích của vật Để có (B.H)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, từ độ cao và đươngtrễ càng lồi càng tốt Đơn vị thường dùng của (B.H)max là GOe, 1MGOe = 8kJ/m3

Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrit từ cứngBaSr, hợp kim AlNiCo… Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là cácnam châm đất hiếm nên giá thành cao, dễ bị oxi hóa

Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đờicủa một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại nam châm từcứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất, cógiá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều

1.1.2.4 Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnet)

Vật liệu phản sắt từ có mômen từ của các nguyên tử cạnh tranh nhau sắpxếp đối song (song song và ngược chiều) từng đôi một Tức là trong vật liệu

phản sắt từ, có tồn tại hai phân mạng cấu trúc từ xen kẽ nhau Mooment từtrong mỗi phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều vớimoment từ của phân mạng kia Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đốibằng nhau nhưng triệt tiêu nhau (Vật liệu Ferrit từ là một dạng của phản sắt

từ, tuy nhiên hai phân mạng có từ độ khác nhau nên không triệt tiêu lẫn nhau,dẫn tới từ độ tổng cộng khác không) Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độtuyệt đối và trong tư trường ngoài bằng không, độ từ hóa tộng cộng của chấtphản sắt từ bằng không (Hình 1.6 (a)) Trong phản sắt từ cũng tồn tại cácmômen từ tự phát xảy ra khi T < TN trong đó, TN là nhiệt độ chuyển pha phảnsắt từ sang thuân từ (nhiệt độ Neel) Khi T > TN thì sự sắp xếp mômen từ trởnên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như trường hợp của trật tự thuận từcủa chất sắt từ

Hình.1.6 (a) Sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu phản sắt từ

(b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ trong AFM

Khi có từ trường ngoài mômen tổng cộng của các vật liệu AFM tăng tỉ lệvới từ trường do sự định hướng của các spin Ở nhiệt độ thấp, hệ số từ hóacủa AFM rất nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên sự sắp xếp đối song từng cặp một củacác phân mạng xen kẽ bị vi phạm và hệ số từ hóa tăng lên Tại nhiệt độ TN,vùng định hướng tự phát của các spin không còn nữa, phản sắt từ chuyểnthành thuận từ Tiếp tục tăng nhiệt độ, hệ số từ hóa giảm xuống

1.2 Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện

Vật liệu điện môi là một trong những vật liệu có ý nghĩa rất quan trọngtrong trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội Chúng đã vàđang thu hút được nhiều quan tâm cả về nghiên cứu cơ bản cũng như nghiêncứu khả năng triển khai ứng dụng từ các nhà nghiên cứu của Vật ly, Hóa học,

và Khoa học Vật liệu

1.2.1 Nguồn gốc của phân cực điện

Trong chất điện môi, các điện tử liên kết rất chặt với các iôn nguyên tử,đến mức tại nhiệt độ phòng, dao động nhiệt và điện trường thông thườngkhông thể bứt chúng ra khỏi nguyên tử Như vậy, chất điện môi không dẫnđiện Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích dương sẽ

bị dịch khỏi vị trí cân bằng theo hướng của điện trường, còn các điện tích âmthì dịch theo hướng ngược lại Kết quả là tạo ra các mômen lưỡng cực điệntrong vật liệu Vì vậy, trên bề mặt vật liệu ở điện cực hình thành các lớp điệntích trái dấu nhau, mặt hướng về phía điện cực dương có lớp điện tích âm vàmặt hướng về phía điện cực âm có lớp điện tích dương Hiện tượng này gọi làhiện tượng phân cực điện môi

Nếu có một hệ điện tích qn thì mômen lưỡng cực điện là một vectơ đượcđịnh nghĩa như sau:

p = q rn n (1.1)Một cách hoàn toàn tự nhiên, ta có thể lấy mômen lưỡng cực của mộtđơn vị thể tích chất điện môi làm đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cựccủa mẫu chất Độ phân cực của chất điện môi tại một điểm cho trước đượcđịnh nghĩa là vectơ tổng mômen lưỡng cực trung bình trong một đơn vị thểtích bao quanh điểm đó:

p ΔVV

P = ΔVV





 (1.2)

Dưới tác dụng của điện trường E 

, độ phân cực điện môi trong vật liệuđẳng hướng tại một điểm cho trước bất kỳ tỷ lệ thuận với cường độ điệntrường tại điểm đó

0 8,85.10 Fm

hằng số điện môi chân không

1.2.2 Cơ chế phân cực điện môi.

Chất điện môi được cấu tạo từ các phân tử không bị phân cực (không cómômen lưỡng cực điện) Trong điện trường ngoài, sự phân bố các điện tích bị

thay đổi, trọng tâm của điện tử trong phân tử và trọng tâm của các điện tíchdương và âm của các hạt nhân nguyên tử trở nên không trùng nhau nữa mà

dịch đi một khoảng d Như vậy, phân tử vốn không có mômen điện đặt trong

điện trường ngoài đã trở thành một lưỡng cực điện

Đối với chất điện môi phân cực, gồm các mômen lưỡng cực điện xácđịnh, trong điện trường ngoài các lưỡng cực điện chịu tác dụng của mômenngẫu lực làm cho chúng định hướng theo chiều của điện trường ngoài Ở nhiệt

độ T = 0K ngay cả với điện trường yếu, tất cả các lưỡng cực điện đều địnhhướng theo chiều của điện trường Tuy nhiên, khi T 0  K, năng lượng nhiệtcủa các lưỡng cực điện có thể làm cho chúng quay đi một góc nào đó so vớichiều của điện trường ngoài Khi đó, nói chung các lưỡng cực điện địnhhướng có thứ tự hơn theo hướng ưu tiên dọc theo chiều của điện trường Mức

độ trật tự của sự sắp xếp các lưỡng cực điện quyết định đến độ lớn củamômen điện tổng cộng của chất điện môi Như vậy, khi đặt chất điện môiphân cực vào trong một điện trường ngoài, mômen điện tổng cộng xuất hiệnkhi đó có độ lớn phụ thuộc vào nhiệt độ

1.2.3 Vật liệu sắt điện (Ferroelectrics materials)

Các chất điện môi có độ phân cực tự phát gọi là chất sắt điện Vậy, chấtsắt điện là chất điện môi có cực Sự xuất hiện của tính sắt điện liên quan đến

sự tác động điện trường lên các ion liên kết yếu làm các ion này dịch chuyểnkhỏi vị trí cân bằng Kết quả là môi trường bị phân cực

Đối với các chất điện môi có cực, tùy thuộc vào quá trình phân cực vàtrật tự của các mômen lưỡng cực dưới tác dụng của các tác nhân bên ngoàinhư điện trường, áp suất, nhiệt độ, ngoại lực…mà ta có thể phân chia chúngthành trật tự thuận điện, sắt điện, nghịch điện, áp điện Các vật liệu sắt điệnnằm trong nhóm vật liệu hỏa điện Chất hỏa điện là chất tồn tại sự phân cực tựphát nhưng sự phân cực tự phát này có thể thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Tức

là các vật liệu sắt điện tồn tại sự phân cực tự phát nhưng nó khác với các vậtliệu hỏa điện khác ở chỗ mômen lưỡng cực điện có thể thay đổi thuận nghịchdưới tác dụng của điện trường ngoài nhỏ hơn giới hạn điện trường đánh thủng

tính chất điện môi của vật liệu Như vậy, điều kiện để một vật liệu thuộc họsắt điện đó là:

+ Tồn tại sự phân cực tự phát

+ Có phân cực tái định hướng

Vật liệu sắt điện có những đặc trưng cần chú ý đó là:

a) Đômen sắt điện

Trong vật liệu sắt điện các vectơ phân cực tự phát PS chỉ song song vớinhau trong những vùng xác định có tên là đômen sắt điện Các đômen khácnhau có thể có vectơ phân cực tự phát hướng theo các trục khác nhau, vàđược phân cách bởi các vách đômen Về phương diện hình học và hiện tượngluận, ta có thể thấy cấu trúc đômen của sắt điện và sắt từ hoàn toàn tương tựkhi xem đường sức điện và sức từ ở phương diện vật lý là như nhau, cũng vậyđối với mômen điện và mômen từ, từ trường và điện trường, v.v (xem Hình1.7)

Hình 1.7 Cấu trúc đômen và vách đômen trong vật liệu sắt điện

Nguyên nhân hình thành cấu trúc đômen sắt điện chưa được giải thíchmột cách hoàn chỉnh nhưng chúng ta có thể hiểu quá trình hình thành đômensắt điện có mục đích làm cực tiểu hóa năng lượng tự do Một cách vi mô ta cóthể giải thích theo hai cách như sau Thứ nhất, các đômen được hình thànhtrong quá trình chuyển pha từ thuận điện sang pha sắt điện do sự thay đổitương tác tĩnh điện tổng cộng của trường ngoài và của các đômen đã hìnhthành trước đó Thứ hai, cấu trúc đômen hình thành là do các sai hỏng mạngcũng như ứng suất nội trong tinh thể sắt điện gây ra

Trạng thái đa đômen này thường bị biến đổi thành một đơn đômen dướitác dụng của điện trường song song với chiều phân cực Các đômen mà cómômen phân cực cùng chiều với điện trường sẽ lớn dần lên so với nhữngđômen có chiều phân cực ngược lại và khi điện trường đủ lớn sẽ làm quay cácđômen phân cực theo hướng điện trường cho tới khi chỉ còn một đơn đômen.Qúa trình mà phân cực điện tự phát của đômen bị đảo chiều dưới tác dụng củamột điện trường gọi là quá trình đảo đômen.

b) Đường trễ sắt điện

Đối với vật liệu sắt điện, độ phân cực phụ thuộc vào điện trường có đặctính phi tuyến Khi ta thay đổi điện trường ngoài thì có thể quan sát hiệntượng trễ điện của vật liệu sắt điện (xem Hình 1.8)

+ Đầu tiên, chất sắt điện chịu tác dụng của điện trường nhỏ, thì đườngP(E) là thuận nghịch và tuyến tính, ứng với đoạn OA Do điện trường quánhỏ, chưa thể lật được bất kì một đômen nào

+ Dưới tác dụng của một điện trường lớn hơn, một số đômen ngượcchiều với điện trường bị đảo chiều và độ phân cực của mẫu tăng nhanh, ứngvới đoạn AB cho tới khi tất cả các đômen đều cùng chiều với điện trườngngoài, ứng với đoạn BC Lúc này mẫu ở trạng thái bão hòa đô phân cực, vàđược cấu tạo bởi một đômen duy nhất

+ Khi điện trường giảm, độ phân cực sẽ giảm nhưng không trở về không.

Khi điện trường bằng không một số đômen vẫn giữ chiều phân cực theo chiều

điện trường trước đó và vật liệu tồn tại độ phân cực dư Pr Điểm ngoại suycủa đoạn BC cắt trục tung tại Ps gọi là độ phân cực bão hòa

+ Độ phân cực điện dư không bị triệt tiêu cho đến khi điện trường đảo

chiều (chiều âm) và đạt đến một giá trị Ec nào đó Ec được gọi là cường độtrường kháng điện Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường theo chiều âm thìtất cả các đômen đều phân cực theo chiều điện trường và vật liệu lại ở trạngthái bão hòa (điểm G) nhưng có chiều ngược với chiều bão hào tại điểm C.Chu trình trễ điện hoàn thành khi ta tăng điện trường theo chiều dương tớiđiểm bão hòa C

Hình 1.8 Đường cong điện trễ của vật liệu sắt từ

c) Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện

Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện TC là nhiệt độ giới hạn tại đó vật liệu

chuyển từ trạng thái thuận điện sang trạng thái sắt điện T > TC vật liệu trở

thành thuận điện, T < TC vật liệu mới có tính sắt điện Nếu tồn tại nhiều phasắt điện tại các nhiệt độ khác nhau thì chỉ nhiệt độ tại đó vật liệu chuyển từtrạng thái thuận điện sang sắt điện mới được gọi là nhiệt độ chuyển pha Curie

Có thể nói nguyên nhân của tính sắt điện là do sự méo mạng của cấu trúcthuận điện, vì vậy đối xứng tinh thể của pha sắt điện bao giờ cũng nhỏ hơnđối xứng tinh thể ở pha thuận điện

1.3 Hiệu ứng trao đổi hiệu dịch

Thuật ngữ “trao đổi hiệu dịch” được dùng để chỉ một hiệu ứng về sự dịchđường cong từ trễ dọc theo trục từ trường Hiện tượng này được phát hiện vào

năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean [1]khi họ đo đường cong từ trễ của hệ cáchạt mịn ôxy hóa một phần được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ

TN (nhiệt độ Neel) Theo họ sự có mặt của lớp CoO hình thành trên bề mặtcủa các hạt Co sinh ra dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi)đối với các hạt Co-một loại dị hướng khác ngoài dị hướng đơn trục và dị

hướng hình thành trong các vật liệu từ [1, 2 ].Kết quả là tâm đường cong từ trễ

bị dịch về phía từ trường âm Hiệu ứng này là kết quả tương tác bề mặt trong

hệ FM/AFM như màng hai lớp hoặc hạt sắt từ kim loại có lớp vỏ ôxit AFM

1.3.1 Cách quan sát hiệu dịch trao đổi

Cách thứ nhất, để quan sát được hiệu dịch trao đổi, chúng ta có thể đo

đường cong từ trễ sau khi làm lạnh hệ trong từ trường ngoài dưới nhiệt độ TN

Trong phép đo này, hệ bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn TC của sắt từ và trên

nhiệt độ TN trong một từ trường khác không và từ trường ngoài được quét để

đo đường cong từ trễ Đường cong từ trễ này được gọi là đường cong từ trễlàm lạnh có từ trường, vì nó được đo sau khi làm lạnh hệ trong từ trườngngoài Như phác họa trên hình 1.9(b), tâm của đường cong từ trên dịchchuyển tức là hiệu dịch khỏi gốc dọc theo trục từ trường thể hiện hiệu dịchtrao đổi Trong khi đường cong từ trễ ở hình 1.9 (a), tâm của đường từ trễkhông hề dịch chuyển Đường cong từ trễ này được đo trong chế độ khi làmlạnh hệ xuống nhiệt độ đo, không có mặt của từ trường ngoài Hay còn gọi làđường cong từ trễ làm lạnh không có từ trường ngoài Hơn nữa, độ rộng củađường cong từ trễ ở hình 1.9(b) lớn hơn so với hình 1.9.(a) Điều này đượcgọi là sự tăng lực kháng từ đi kèm với sự dịch tâm từ trễ quan sát trong hiệu

dịch trao đổi Trong đó, lực kháng từ

Cách thứ hai, ta quan sát thí nghiệm như sau: khi người ta bốc màng sắt

từ (FM) trên màng phản sắt từ (AFM), người ta dùng một cái nam châm thìnam châm làm cho các đomen và trật tự lớp AFM định hướng sẵn Do đó, khibốc màng FM lên trên, thì hướng dễ từ hóa sẽ hướng theo lớp AFM Điều nàythì cũng tương tự như khi ta làm lạnh trong từ trường thì lớp AFM theo hướngcủa từ trường, do đó lớp FM phải sắp xếp spin theo hướng lựa chọn

1.3.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM

Khi làm lạnh trong H

xuống nhiệt độ TN, nhiệt độ chuyển pha từ thuận từ

sang phản sắt từ, nhỏ hơn nhiều nhiệt độ Curie TC của FM, thì cả hai phần FM

và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM thì song song, AFM thì sắp xếpphản song song (xem Hình 1.10)

Hình 1.10 Cơ chế hiệu dịch trao đổi trong màng hai lớp FM/AFM.

Trong sự có mặt của H thì định hướng spin của FM theo hướng của H

Giả sử tương tác trao đổi FM và AFM ở bề mặt là JFM-AFM > 0 thì lớp bề mặtcủa AFM cũng phải sắp xếp theo hướng spin của FM Còn lớp tiếp theo sắpxếp ngược lại Cứ như thế AFM sẽ sắp xếp phản song song, lớp sát bề mặt

FM phải song song với FM Về mặt năng lượng thì lớp trên cùng của AFM vàlớp duới cùng của FM sắp xếp như thế là có lợi về năng lượng, kết quả lànăng lượng tổng cộng vẫn thấp hơn nếu như lớp trên cùng của AFM sắp xếpvừa song song với lớp FM vừa song song với AFM Do lớp bề mặt của AFMsắp xếp phản song song nên đóng vai trò ghim giữ các spin của của lớp FM bềmặt Dẫn đến ngoài việc lớp FM có dị hướng đơn trục của chính tinh thể FM,