NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP

MỞ ĐẦU Vật liệu đa pha sắt tổ hợp là vật liệu có các tính chất sắt điện và sắt tư tồn tại tưng pha vật liệu riêng biệt và liên kết hai pha thông qua tính chất sắt đàn hồi tồn tại tưng pha Các nghiên cứu cho thấy vật liệu đa pha sắt tổ hợp có tính chất tốt nhiều so với vật liệu đa pha sắt đơn pha [24, 82] Bằng cách tổ hợp vật liệu có tính áp điện với các vật liệu sắt tư có tính tư giảo người ta có thể tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp có các ưu điểm hai pha vật liệu Trong các nghiên cứu vật liệu đa pha sắt, hướng nghiên cứu khả điều khiển tính chất tư vật liệu điện (điện trường) thay sử dụng tư trường thu hút quan tâm các nhà khoa học khả ứng dụng công nghệ lưu trữ thông tin Dựa nguyên lý này, hệ lưu trữ thông tin gọi tên là MERAM (Magneto-Electric Random Access Memories) hứa hẹn có thể thay các nhớ tư MRAM tương lai [4, 27, 28, 36, 117, 147] Khác với các chế đảo tư truyền thống, vật liệu này, nhờ liên kết điện tư các pha tư và điện mà quá trình đảo tư có thể thực hiện tác dụng điện trường ngoài Bộ nhớ MERAM ứng dụng chế đảo tư điện trường có các ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống mật độ lưu trữ thông tin cao, tốc độ ghi nhớ nhanh, giảm lượng tiêu thụ, ghi thông tin ít gây ảnh hưởng đến các ô nhớ xung quanh Hòa nhịp với phát triển các hướng nghiên cứu vật liệu đa chức hiện nay, Khoa Vật lý kỹ tḥt và Cơng nghệ nano và Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ micro-nano thuộc Trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN) triển khai các nghiên cứu và ứng dụng vật liệu đa pha sắt tổ hợp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo điện từ Hiệu ứng điện tư là hiệu ứng điều khiển độ phân cực tự phát P cách tác động tư trường H điều khiển tư độ tự phát M cách tác động điện trường ngoài E thông qua biến dạng ε(σ) 1.1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện lần khám phá vào năm 1880 anh em nhà Curie, Jacques và Pierre Curie, các tinh thể khoáng Khi chịu tác dụng lực ngoài, các tinh thể bị phân cực điện, phân cực này tỉ lệ với độ lớn và hướng lực tác dụng Độ nén và độ giãn các tinh thể sinh điện phân cực ngược tỉ lệ với lực đặt vào Đây là hiệu ứng áp điện thuận Sau đó ta quan sát thấy đặt điện lên tinh thể áp điện xuất hiện điện trường làm tinh thể dài co ngắn theo phân cực điện trường và tỉ lệ thuận với độ lớn điện trường Hiệu ứng áp điện đặc trưng công thức: E = -k×σ (1.1) đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu, σ > là ứng suất kéo, σ < là ứng suất nén 1.1.2 Hiệu ứng tư giảo Tư giảo là hiện tượng thay đổi kích thước vật liệu tư trạng thái tư nó thay đổi Hiện tượng tư giảo này James Prescott Joule phát hiện lần vào năm 1842 Sự thay đổi trạng thái tư vật liệu có thể gây thay đổi nhiệt độ (tư giảo thể tích) tư trường ngoài (tư giảo Joule hay gọi là tư giảo tuyến tính) Về cấu trúc tinh thể, thay đổi kích thước vật liệu tương ứng với biến dạng mạng tinh thể [115] 1.1.3 Hiệu ứng điện tư Hiệu ứng điện tư có hai loại: hiệu ứng điện tư thuận và hiệu ứng điện tư ngược Hiện nay, số lượng các nghiên cứu công bố hiệu ứng điện tư và vật liệu đa pha sắt tăng lên đáng kể nhờ công nghệ chế tạo vật liệu phát triển với hỗ trợ tính toán lý thuyết Trong số đó, vật liệu tổ hợp pha sắt tư - tư giảo và sắt điện - áp điện là nội dung nghiên cứu khá thú vị tồn tại tương tác phân cực điện và phân cực tư 1.2 Vật liệu đa pha sắt Vật liệu đa pha sắt lần Hans Schmid đề cập đến vào năm 1994 công bố tạp chí Ferroelectrics [58] Trong cơng trình này, Hans Schmid định nghĩa multiferroics vật liệu đơn pha có đồng thời hai ba các tính chất ferroic: ferroelectricity - sắt điện, sắt tư ferromagnetism và sắt đàn hồi - ferroelasticity Nếu xét tư quan điểm thành phần vật liệu, vật liệu đa pha sắt có thể chia thành hai loại chính: đơn pha [99, 103] và tổ hợp [24, 82] (hình 1.6) Trong vật liệu đơn pha, các tính chất điện và tư là hiệu ứng thể tích, vật liệu tổ hợp, tương tác các pha điện và tư xác định theo vùng phân giới Hình 1.6: Vật đa pha hợp Vật liệu liệu đơn phasắt loại đơn Vậtpha liệuvà tổ tổ hợp Vật liệu tổ hợp Vật liệu đơn pha 1.2.1 Vật liệu đơn pha Vật liệu đa pha sắt đơn pha là vật liệu tồn tại đồng thời các tính chất điện và tư pha vật liệu Dựa cấu trúc tinh thể, vật liệu đơn pha có thể chia thành số nhóm chính sau [38]: a) Vật liệu có cấu trúc perovskite ABO3, b) Hợp chất manganit đất cấu trúc lục giác với công thức tổng quát ReMnO3 với Re = Y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, c) Hợp chất chứa nguyên tố Bo với công thức tổng quát M3B7O13X đó M = Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, và X = Cl, Br, I, d) Hợp chất BaMF4 với M = Hn, Fe, Co, Ni, có cấu trúc tinh thể dạng trực thoi nhiệt độ cao Nếu phân loại theo chế vật liệu sắt điện, vật liệu đa pha sắt đơn pha Khomskii phân chia thành: Vật liệu đa pha sắt đơn pha loại I và loại [30] Hiệu ứng điện tư các vật liệu đơn pha thường xảy nhiệt độ thấp và tư trường cao, cộng hưởng sắt điện và sắt tư thấp, hệ số tương tác điện tư nhỏ nên không phù hợp với các ứng dụng thực tế 1.2.2 Vật liệu tổ hợp Khác với vật liệu đơn pha, vật liệu tổ hợp, trật tự đa pha sắt có là kết hợp hai pha vật liệu (khác thành phần hóa học) có tính sắt điện và sắt tư riêng rẽ thông qua liên kết đàn hồi Liên kết này mô tả ảnh hưởng qua lại độ phân cực điện và phân cực tư vật liệu Nó có thể bắt nguồn trực tiếp tư các thông số trật tự vật liệu đa pha sắt đơn pha không trực tiếp thông qua biến dạng/ứng suất Do đó, nhờ tồn tại vật liệu sắt điện và sắt tư nhiệt độ phòng người ta có thể chế tạo các vật liệu tổ hợp tại nhiệt độ phòng 1.3 Cơ chế điều khiển tính chất từ điện trường vật liệu đa pha sắt Một hướng các nhóm nghiên cứu hiện quan tâm liên quan đến điều khiển chế tư điện trường Vật liệu đa pha sắt có tương tác điện tư pha sắt tư và pha sắt điện đóng vai trò là vật liệu cho phép tồn tại chế điều khiển tính chất tư điện trường Quá trình điều khiển mômen tư điện trường vật liệu đa pha sắt tổ hợp có thể xác định tương tác đàn hồi pha sắt tư và đế áp điện/sắt điện Dưới ảnh hưởng ứng suất học này, vật liệu sắt tư - tư giảo bị biến dạng và đó tư độ thay đổi (về độ lớn và định hướng) 1.4 Khả ứng dụng vật liệu đa pha sắt công nghệ lưu trữ thông tin Các chế đảo tư điện trường các cấu trúc điện tư tổ hợp ứng dụng để chế tạo các nhớ MERAM Bộ nhớ MERAM sử dụng phương pháp đảo tư điện trường có ưu điểm so với các hệ MRAM như: kích thước ô nhớ thu nhỏ mà không bị giới hạn, tốc độ ghi thông tin nhanh, tiêu hao lượng thấp Kết luận chương Chương là phần tổng quan các vật liệu đa pha sắt đơn pha và tổ hợp, số tính chất và hiệu ứng đặc trưng các vật liệu Hiện tượng đảo tư điện trường có thể ứng dụng chế ghi tư thay cho ghi tư tư trường hay dòng điện, khắc phục các hạn chế các nhớ tư loại khác CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt loại tổ hợp 2.1.1 Vật liệu 2.1.1.1Vật liệu sắt điện Vật liệu áp điện sử dụng luận án là Pb(Zr0.48Ti0.52)O3 (kí hiệu PZT-APC 855) có dạng tấm mỏng (độ dày 500 µm) hãng American Piezoceramics Inc (PA, USA) Các thông số đặc trưng khác đế áp điện là: hệ số tích điện d31 = -276 pC/N, hệ số chuyển đổi điện k33 = 0.76, TC = 200oC Đế PZT có hai loại tương ứng với hướng phân cực khác nhau: dọc theo chiều dày đế và ngang theo bề mặt đế 2.1.1.2 Vật liệu sắt tư Vật liệu sắt tư lựa chọn gồm có Ni 80Fe20 có tính chất tư mềm, và có thể làm tăng kết dính các lớp, nhạy với ứng suất tác động; Co 50Fe50 có hệ số tư giảo dương và tư độ cao, có các tính chất tốt để đạt tương tác điện tư lớn [136] Các vật liệu này có tính chất tư tốt và giá thành rẻ so với hợp kim có chứa đất sử dụng số nghiên cứu vật liệu đa pha sắt tổ hợp dạng lớp trước [128, 134, 138] 2.1.2 Các phương pháp chế tạo 2.1.2.1 Vật liệu tổ hợp PZT/CoCr Vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/CoCr chế tạo phương pháp kết dính sử dụng keo epoxy để gắn kết tấm áp điện PZT với cấu trúc màng CoCr/PVDF Đây là phương pháp chế tạo đơn giản nhiên các lớp vật liệu có lớp keo dính ngăn cách 2.1.2.2 Vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe Trong các phương pháp sử dụng để chế tạo màng mỏng đa lớp hiện nay, phương pháp phún xạ có nhiều ưu điểm như: độ bám dính màng đế tốt các nguyên tử lắng đọng có động khá cao, màng tạo có độ gồ ghề bề mặt thấp và có hợp thức gần với bia, độ dày có thể điều khiển Bảng 2.2: Các thông số chế tạo lớp màng mỏng NiFe, CoFe Vật liệu chế tạo NiFe Công suất phún xạ (W) CoFe 50 50 Chân khơng sở (Torr) ×10-7 ×10-7 Áp suất khí Ar (Torr) 2.2×10-3 2.2×10-3 Thời gian chế tạo (phút) 10, 20, 40, 60 10, 30, 60 Độ dày màng (nm) 10, 25, 50, 90 190, 225, 320 Trong cấu trúc tổ hợp này, thời gian phún xạ lớp CoFe thay đổi là 10, 30 và 60 phút, đó thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi là 10, 20, 40, 60 và 90 phút để có các hệ mẫu với độ dày các lớp sắt tư khác Các thông số chế tạo các lớp màng tư liệt kê chi tiết Bảng 2.2 2.2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể hình thái học 2.2.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và thành phần các thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD, D8 Advance, Bruker) và phổ tán xạ lượng EDS (JSM7600F, JEOL) 2.2.2 Khảo cấu trúc vi mơ Nghiên cứu hình thái học bề mặt và cấu trúc vi mô các kính hiển vi điện tử quét (SEM, S-3400N, Hitachi), kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao (FESEM, S-4800, Hitachi) và (FESEM - ZEISS Ultra+) 2.2.3 Xác định thành phần vật liệu Các phép đo phổ tán sắc lượng thực hiện thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM, JSM-7600F, JEOL) tích hợp với phổ kế tán sắc lượng tia X (EDS) và đầu dò huỳnh quang catơt (CL) 2.3 Các phương pháp đo tính chất điện từ 2.3.1 Tính chất tư 2.3.2 Tính chất điện 3.2.1 Độ phân cực điện và dòng rò Khảo sát các tính chất sắt điện sử dụng các thiết bị đo các tính chất sắt điện (LC10, Radiant) Dòng rò chất điện môi xác định qua đặc trưng J-V, sử dụng thiết bị (LC10, Radiant) 2.3.2.2 Hằng số điện môi Hằng số điện môi vật liêụ có thể tính qua giá trị điện dung mẫu tại các giá trị tần số khác nhau, sử dụng máy đo LCR (PM6303, Tegam) 2.3.2.3 Độ dịch chuyển Khảo sát các tính chất vật liệu áp điện sử dụng thiết bị Photonic Sensor (MTI200, Radiant Technologies Inc.) 2.4 Khảo sát thay đổi tính chất từ tác dụng điện 2.4.1 Phương pháp đo Chúng tiến hành cấp vào hai điện cực mẫu với dải điện thay đổi tư -400V đến 400V Sử dụng thiết bị VSM, có thể thu các đường M(U) biểu diễn phụ thuộc tư độ M vào điện tác dụng U 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng điện và phương tư trường Dựa các thiết lập thí nghiệm tiến hành khảo sát đo các đường M(U) tại các tư trường Hbias khác và đo theo các hướng khác tư trường so với mặt phẳng mẫu α = 0o, α = 45o và α = 90o Kết luận chương Chương giới thiệu các phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp, các kỹ thuật khảo sát cấu trúc tinh thể và cấu trúc vi mô, các tính chất điện và tư vật liệu đa pha sắt sử dụng luận án CHƯƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT PHÂN CỰC DỌC 3.1 PZT/CoCr Hình thái học bề mặt màng CoCr cho thấy cấu trúc vi mô màng là tương đối đồng nhất với bề mặt khá mịn, kích thước các hạt CoCr vào khoảng 10 nm Bên cạnh đó, tư kết khảo sát phổ EDS có thể quan sát thấy các đỉnh đặc trưng Cr và Co Tỷ phần các nguyên tố màng là Co35.6Cr64.4 Kết đo nhiễu xạ X-ray màng CoCr cho thấy cường độ đỉnh nhiễu xạ lớn nhất quan sát thấy tại ví trí góc 2θ là 26.2o, tương ứng với đỉnh nhiễu xạ (111) CoCr Đỉnh nhiễu xạ (111) đặc trưng cho phân bố ngẫu nhiên các hạt, không có định hướng tinh thể ưu tiên Các mẫu tổ hợp có tính chất tư mềm đặc trưng và dị hướng tư theo phương mặt phẳng màng 0,004 P2 2000 Oe 200 Oe 25 Oe Oe -25 Oe -30 Oe -200 Oe -2000 Oe M (emu) 0,002 Ud 0,000 -0,002 -0,004 -400 -200 200 400 U(V) Hình 3.4: Sự phụ thuộc từ độ vào điện tác động từ trường khác mẫu P2 Sự phụ thuộc tư độ vào điện M(U) mẫu tiêu biểu P2 giảm dần tăng điện trình bày hình 3.4 Ở ∆M = M(U) M(0), đó M(U) là tư độ thay đổi tác dụng điện U và M(0) là tư độ không có điện ∆M có thể đạt 840 µemu khoảng tư -400V đến +400V Như vậy, chế tạo vật liệu tổ hợp đa pha sắt dạng tấm PZT/CoCr phương pháp kết dính Kết khảo sát tính chất tư mẫu PZT/CoCr cho thấy dị hướng tư mặt phẳng chiếm ưu Dưới tác dụng điện thế, mẫu P2 có độ thay đổi tư độ là ∆M = 840 µemu 3.2 PZT/NiFe/CoFe Các mẫu chế tạo đế PZT phân cực dọc lựa chọn để trình bày kết chương có kí hiệu là D1, D2, D3 và D4 (ứng với các mẫu có thời gian phún xạ lớp CoFe cố định là 60 phút, thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi 10, 20, 40 và 60 phút) 3.2.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu đặc trưng D1 cho thấy mẫu D1 có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc perovskite đế PZT và cấu trúc đa tinh thể có định hướng ưu tiên (111) màng sắt tư NiFe/CoFe 3.2.2 Tính chất tư Tính chất tư hệ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe khảo sát phép đo đường cong tư hóa M(H) theo các hướng tư trường song song α = 0o, tạo góc α = 45o và vuông góc α = 90º so với mặt phẳng mẫu Kết dị hướng tư mặt phẳng chiếm ưu các mẫu đóng góp dị hướng tư mặt phẳng lớp sắt tư NiFe/CoFe Các thông số tư đặc trưng liệt kê Bảng 3.2 Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng mẫu D1, D2, D3 D4 HC (Oe) MS (μemu) 10 600 d U (V) 300 D1 D2 D3 D4 -300 -600 -500 500 Hbias(Oe) 3000 M (µ emu) 2000 2000G 1000G 200G 50G 0G -50G -75G -200G D1 1000 D1 -1000 Hình 3.12: oGiá trị Uđ mẫu Di đo o từ trường khác -2000 -400 α = 90 α = 45 -200 200 400-400 -200 200 400 U(V) U(V) Hình 3.14: Sự phụ thuộc từ độ mẫu D1 vào điện tác dụng lên hai cực lớp áp điện PZT đo theo góc α khác 3.2.4 Ảnh hưởng phương tư trường đến tính chất tư 12 Tại các góc α # 0o giá trị M có xu hướng giảm tuyến tính có điện tác động lên đế áp điện PZT (xem hình 3.14) Tuy nhiên thay đổi ∆M (hay độ dốc đường M(U)) giảm dần hướng tư trường lệch khỏi mặt phẳng màng M thay đổi rất nhỏ hướng tư trường vuông góc với mặt phẳng mẫu ứng với α = 90 o Nếu so sánh kết đo theo các phương tư trường khác đảo tư đo theo phương song song α = o là lớn nhất, đảo tư đo theo phương vuông góc α = 90o là nhỏ nhất Kết luận chương - Đã chế tạo hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe phương pháp phún xạ Các mẫu thể hiện tính tư mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu - Khi tăng điện U, tư độ M có xu hướng giảm tuyến tính Tại góc α o = với ΔU = 400 V, tư trường Hbias = -50 Oe, mẫu D1 có độ biến thiên tư độ lớn nhất là ΔMmax = 1540 µemu và mẫu D4 có độ biến thiên tư độ nhỏ nhất là ΔMmin = 930 µemu Tại α ≠ 0o, độ dốc đồ thị M(U) giảm dần - Khảo sát quá trình đảo tư cảm ứng điện trường, tăng độ dày tNiFe giá trị đảo tư Uđ tăng Mẫu D1 có (Uđ)min = 18 V, mẫu D4 có (Uđ)max = 165 V Đặc biệt, mẫu D1, không có tư trường Hbias, việc điều khiển đảo tư điện có thể thực hiện với U đ = 21 V Uđ giảm hướng tư trường ngoài ngoài lệch ngoài mặt phẳng màng Với mẫu D1, Uđ = V tại Hbias = -50 Oe và α = 90o - Ảnh hưởng điện lên tính chất tư và hiện tượng đảo tư cảm ứng điện trường nghiên cứu và giải thích định tính CHƯƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe TRÊN PZT PHÂN CỰC NGANG Tương tự các mẫu chế tạo đế PZT phân cực ngang lựa chọn để trình bày kết chương có ký hiệu là N1, N2, N3 và N4 13 (ứng với các mẫu có thời gian phún xạ lớp CoFe cố định là 10 phút, thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi 10, 20, 40 và 60 phút) 4.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô thành phần So sánh với giản đồ nhiễu xạ đế PZT phân cực ngang, ta thấy mẫu N1 có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc perovskite đế PZT với đỉnh nhiễu xạ lớn nhất tại góc 2θ = 31.2o tương ứng với định hướng (110) So sánh với phổ nhiễu xạ chuẩn (tư thẻ chuẩn JCPDS #23-297), đỉnh nhiễu xạ tại 2θ = 44o chứng tỏ tồn tại lớp sắt tư NiFe/CoFe Chú ý lớp NiFe và CoFe mỏng, đó cường độ các đỉnh khơng rõ nét 4.2 Tính chất từ Trong trường hợp tư trường ngoài song song, tạo góc 45 o và vuông góc với mặt phẳng mẫu, giá trị tư độ bão hoà MS, Mr có xu hướng tăng tăng chiều dày lớp đệm NiFe Trong đó, lực kháng tư HC lại có chiều giảm dần chiều lớp đệm NiFe tăng Các giá trị tư độ đo theo phương vuông góc M⊥, M45o nhỏ đo theo phương song song M// 4.3 Ảnh hưởng điện đến tính chất từ 4.3.1 Sự thay đổi tư độ tác dụng điện Như thấy, có điện U tác dụng lên các điện cực PZT, tư độ M vật liệu tổ hợp thay đổi gần tuyến tính theo điện U Sự thay đổi ∆M ∆M/∆U tác dụng điện mẫu N2 lớn nhất là 530 µm và 1.33, mẫu N4 thay đổi này nhỏ nhất là 470 µm và 1.20 Điều này phù hợp với kết khảo sát tính chất tư Đối với hệ vật liệu tổ hợp điện tư PZT/NiFe/CoFe nghiên cứu, đế PZT có phân cực ngang nên hướng ứng suất nằm mặt phẳng màng, hướng [100] ứng với biến dạng ε1 (hình 4.12) Mặt khác, lớp sắt tư NiFe/CoFe có dị hướng mặt phẳng Do đó hướng các mômen tư song song 14 với trục ứng suất, tức là θ = 0o nên K σ > Như đề cập, NiFe/CoFe có hệ số tư giảo dương λS > vậy giá trị σ > 0, tương ứng với ứng suất đế PZT Điều này phù hợp với thảo luận tăng tư độ tăng điện tác dụng Hình 4.12: a) Màng từ tác dụng ứng suất b) Mô hình dị hướng từ cảm ứng suất trường hợp đế áp điện phân cực ngang 4.3.2 Quá trình đảo tư tác dụng điện Chúng ta có thể quan sát thấy hiện tượng mômen tư NiFe/CoFe thay đổi định hướng tại các giá trị điện Uđ xác định Giá trị Uđ này là khác với tư trường Hbias khác thống kê bảng 4.3 và hình 4.14 với xu hướng chung là tăng lên theo tư trường tác dụng Lấy ví dụ mẫu N2, giá trị đảo U đ = 200, -86, -119 và -172 V tương ứng với các tư trường Hbias = -500, 50, 200 và 500 Oe Khi tư trường Hbias = -100 Oe Hbias = -50 Oe, giá trị Uđ thay đổi (âm dương) tùy tưng mẫu Kết này cho thấy cạnh tranh lượng tư và lượng điện quá trình đảo tư, đờng thời cho thấy khả có thể sử dụng điện thế/điện trường để thực hiện việc thay đổi định hướng mômen tư vật liệu tư Tư bảng 4.3 có thể thấy số giá trị đảo nhỏ Uđ = V mẫu N4 tại tư trường H bias = -50 Oe, Uđ = 25 V (mẫu N2) và Uđ = 15 V (mẫu N3) tại tư trường H bias = -100 Oe Khả có thể 15 đảo tư tại các giá trị điện nhỏ vậy có ý nghĩa mặt ứng lưu trữ thông tin tiêu tốn ít mặt lượng 600 N1 N2 N3 N4 400 200 Ud -200 -400 -600 -400 -200 200 400 Hbias (Oe) Hình 4.14: Giá trị Uđ mẫu Ni đo từ trường khác Bảng 4.3: Thế đảo từ Uđ mẫu Ni từ trường khác Hbias Mẫu 500 200 100 50 -50 -100 - -500 N1 -250 -200 - - - -127 -65 200 117 250 N2 -172 -119 178- 165 -86 150 -70 -50 25 133 200 N3 -300 -250 100- - - -118 15 200 270 217 200 172 16 N4 -493 -424 - - - 400 350 300 300 400 509 4.4 Ảnh hưởng phương từ trường đến tính chất từ So sánh các đồ thị M(α) U = V mẫu N1 với đồ thị M(α) U = 100 V, thấy có điện trường đặt vào, dạng hình sin M(α) bị biến đổi với các giá trị cực đại, cực tiểu thay đổi (hình 4.18) Với nhóm đường M(α) nằm đường M = 0, giá trị cực đại tư độ dịch chuyển tư vị trí α = 0o sang vị trí α = 30o và chu kì biến thiên thay đổi tư T = 180 o sang T = 120o, chứng tỏ tồn tại thay đổi dị hướng các màng tư, tác dụng giá trị điện đủ lớn tác động lên pha áp điện 4.5 Ảnh hưởng chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ Ngoài việc chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp có chiều dày lớp NiFe thay đổi thảo luận trên, chế tạo các hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp chiều dày lớp NiFe cố định là 10 nm, và chiều dày lớp CoFe thay đổi tư 190, 225, 320 nm, kí hiệu M1, P1 Hbias=50 Oe 400 M (µ emu ) 200 U=0V U=100V U=-200V -200 -400 60 120 180 α( ο 240 300 360 ) Hình 4.18: Sự phụ thuộc từ độ vào hướng từ trường M(α) mẫu N1 đo Hbias = 50 Oe trường hợp: a) U = V, b) U = 100 V, c) U = -200 V 17 600 N1 M1 P1 400 Ud(V) 200 -200 -400 -600 -800 -200 -100 100 200 Hbias (Oe) Hình 4.19: Giá trị Uđ mẫu có chiều dày lớp CoFe thay đổi đo từ trường Hbias khác Thế đảo tư Uđ = -165, -300 và -250 V các mẫu N1, M1 và P1 tương ứng tại giá trị tư trường H bias = 50 Oe tăng tăng chiều dày lớp CoFe (hình 4.19) Xu hướng là tương tự đo tại các giá trị tư trường Hbias khác Việc giảm chiều dày tổng cộng lớp sắt tư có ý nghĩa quan trọng việc giảm lượng tiêu thụ để có khả ứng dụng các thiết bị điện tử Với mẫu N1, quá trình đảo tư cảm ứng điện trường có thể đạt Uđ = -150 V mà không cần tư trường Hbias Kết này có thể mở khả ứng dụng cho các thiết bị lưu trữ liệu với việc giảm kích thước và loại trư hiệu ứng giao thoa tư các nam châm điện hay nam châm vĩnh cửu Kết luận chương - Đã chế tạo hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT-NiFe/CoFe phún xạ trực tiếp màng mỏng tư lên đế áp điện PZT phân cực ngang Các mẫu có tính tư mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu 18 - Dưới tác dụng điện thế, tư độ M có xu hướng tăng tuyến tính theo điện U Mẫu N2 có ∆Mmax = 530 µemu, mẫu N4 có ∆Mmin = 470 µemu tại ∆U = 400 V, Hbias = 50 Oe Độ dốc M(U) giảm dần α ≠ 0o - Thế đảo tư Uđ phụ thuộc vào độ lớn và hướng tư trường H bias Đối với mẫu N2, Hbias = Oe, Uđ = -70 V - Ảnh hưởng điện thế, tư trường và chiều dày lớp sắt tư đến tính chất tư cấu trúc tổ hợp nghiên cứu và giải thích định tính CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 5.1 Ảnh hưởng điện trường đến tính chất từ vật liệu đa pha sắt tổ hợp Hai chế tương tác điện tư thông qua biến dạng và tương tác điện tư thông qua điện tích mặt phân giới có thể sử dụng để giải thích các hiệu ứng điện tư vật liệu đa pha sắt tổ hợp Trong đó, tương tác điện tư thông qua điện tích mặt phân giới liên quan đến việc điều khiển trực tiếp dị hướng tư tinh thể điện thơng qua thay đổi cấu hình spin mặt phân giới Riêng tương tác điện tư thông qua biến dạng, điện trường ngoài tác động lên đế FE gây ứng suất dọc theo mặt phân giới và làm biến đổi dị hướng tư thông qua tương tác đàn hồi Tương tác điện tư thông qua điện tích mặt phân giới thường xem xét các màng FM siêu mỏng, tương tác điện tư thơng qua biến dạng chi phối các màng FM dày hơn, dẫn đến điều khiển dị hướng tư điện phụ thuộc vào chiều dày lớp FM Sự thay đổi tổng dị hướng tư tác dụng điện trường dọc theo chiều dày lớp áp điện có thể biểu diễn theo tham số độ dày d công thức: 19 ∆ H effOP = H effOP ( U ) − H effOP ( 0) H effOP ( 0)   2c 2 B1  + 12 c11   =  ∆ K S (U )   e p ( V ) +  d   MS H effOP (5.8) Đối với cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe có đế PZT phân cực dọc, độ dày tới hạn dcr là 1.95 nm Độ dày chuyển pha dtr hai chế tương tác điện tư các đóng góp tư hai chế là nhau, ước tính là khoảng 0.2 nm Như có thể thấy hình 5.5, bất đối xứng và giảm đơn điệu ∆HeffOP(U) quan sát cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe Hơn nữa, lấy phần dương tương ứng với ứng suất tư đế PZT là ứng suất nén (như giải thích mục 3.2) màng NiFe/CoFe có hệ số tư giảo dương nên giữ cho trục dễ tư hoá nằm theo phương mặt phẳng Như vậy, giảm ∆HeffOP tương tự thay đổi tư độ theo điện M(U) hình 3.10, phản ảnh tương tác điện tư thông qua biến dạng chiếm ưu thế, thay đổi dị hướng tư có thể điều khiển điện cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe này Như vậy, cách giải thích bán định lượng, cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe, ứng suất nén đế áp điện PZT gây giảm tư độ Sự giảm ∆HeffOP tương tự thay đổi tư độ theo điện M(U) cho thấy chế tương tác điện tư thông qua biến dạng chiếm ưu thế, đóng góp đến thay đổi dị hướng tư cảm ứng điện 20 U(V) Hình 5.5: Sự thay đổi cảm ứng điện trường ∆HeffOP vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe với chiều dày lớp sắt từ khác 5.2 Ảnh hưởng yếu tố dị hướng lên trình định hướng spin vật liệu đa pha sắt tổ hợp 5.2.1 Mơ hình Trên hình 5.6 là sơ đờ cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe (đế PZT phân cực ngang) dùng để tính toán Giả sử mômen tư lớp NiFe là tự (ký hiệu Mf) và lớp CoFe là cố định (ký hiệu Mh), ban đầu có định hướng song song với hướng [010] mặt phẳng Một điện trường cấp vào lớp sắt điện PZT gây nên thay đổi định hướng mômen tư 90 o lớp sắt tư tự do, đó mômen tư lớp cố định giữ vị trí ban đầu Tương tác mômen tư hai lớp cố định và tự lệch góc 90 o tạo nên thay đổi tính chất hệ, là điện trở Sự khác biệt điện trở hệ hai trường hợp M f // Mh và Mf ⊥ Mh có khả đặc trưng cho trạng thái nhớ khác (“0” và “1”) có thể ứng dụng lưu trữ thông tin kiểu MERAM a) b) Hình 5.6: a) Cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế PZT phân cực ngang 21 b) Quá trình thay đổi định hướng mômen từ 90o lớp sắt từ tự Bằng cách cực tiểu hóa độ thay đổi lượng, ta có thể tìm điện trường giới hạn Giả sử hướng ban đầu mômen tư là [010] (m = 0) với lượng cực tiểu E = Khi tăng điện trường tác dụng, ta gọi quá trình thay đổi tư độ tư hướng [010] sang hướng [100] là quá trình thuận, và quá trình ngược lại là quá trình nghịch Ta có: E crfsw = − C( k) d γ + µ M s H ex − W d B1 ( d33 − d 31 ) K1 + µ0 M s2 (5.23a) là điện trường có thể làm thay đổi hướng tư độ quá trình thuận, và cr Ebsw =− C( k) d γ − µ M s H ex + W d B1 ( d31 − d33 ) K1 − µ 0M s2 (5.23b) là điện trường có thể làm thay đổi hướng tư độ quá trình nghịch Trong phần kết quả, để tiện so sánh độ lớn, vẽ giá trị điện trường tới hạn quá trình nghịch là giá trị tuyệt đối 5.2.2 Kết Giá trị điện trường các công thức (5.23a, b), ký hiệu chung là Ecr, tính tại các giá trị độ dày khác màng sắt tư (ký hiệu độ dày là d) Hình 5.8 cho thấy phụ thuộc điện trường thuận nghịch cr bsw vào E E crfsw độ dày d xét đến xuất hiện lượng bề mặt 22 và Hình 5.8: Sự phụ thuộc điện trường thuận cr E crfsw nghịch Ebsw vào chiều dày d lớp sắt từ tự (có xét đến lượng bề mặt γ M0 M ∆ Fsurf = Fsurf − Fsurf = − m12 d ) Có thể thấy điện trường giới hạn Ecr phụ thuộc mạnh vào độ dày d lớp tự vùng d ≤ nm Đóng góp lượng bề mặt dẫn đến biến đổi không tuyến tính giá trị điện trường giới hạn Ecr Hơn nữa, có điểm giao hai đường tại giá trị d = nm Điểm giao này cho biết giá trị độ dày d mà tại đó điện trường thuận và nghịch cr E crfsw = Ebsw Điều này cho thấy có thể thay đổi hướng mômen tư điện trường ngoài và các nhớ kiểu MERAM, giá trị điện trường này có thể sử dụng để ghi tư Với giá trị xác định số γ, ta nhận thấy tính chất thú vị giá trị điện trường E cr Với giá trị d lớn, ví dụ d > nm, giá trị điện trường khơng phụ thuộc vào lượng bề mặt (hình 5.9) Chúng ta thấy, điện trường áp vào lớp áp điện không đủ lớn để gây biến dạng truyền lên lớp sắt tư (E < Ecr) trục tư dễ khơng thể quay So sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm chương trên, khoảng giá trị điện 23 sử dụng ± 300V tương ứng với điện trường gần kV/cm, là khá phù hợp với giá trị điện trường tính toán này Hình 5.9: Sự phụ thuộc điện trường thuận E crfsw nghịch cr Ebsw vào chiều dày d lớp sắt từ tự (có xét đến lượng bề mặt M0 M ∆ Fsurf = Fsurf − Fsurf = γ m1 d ) Kết luận chương Chúng tơi sử dụng mơ hình dị hướng để mô tả các yếu tố dị hướng lớp sắt tư vật liệu tổ hợp đa lớp có các lớp sắt tư và sắt điện xen kẽ Chúng đưa các giá trị điện trường ngưỡng Ecr cần thiết đó quá trình tái định hướng spin bắt đầu xảy Ngoài ra, chúng tơi khảo sát mức ảnh hưởng độ đày lớp tư mềm lên điện trường ngưỡng chế kiểu MERAM Nếu không tính đến biến dạng bề mặt điện trường chuyển xi (tư bit “0” sang bit “1”) 24 E crfsw giảm tăng độ dày lớp màng FM Ngược lại, điện trường chuyển ngược (tư bit “1” sang bit “0”) cr Ebsw lại tăng tăng độ dày lớp màng FM KẾT LUẬN CHUNG Trong luận án này chế tạo thành công các hệ vật liệu tổ hợp PZT/CoCr phương pháp kết dính và PZT/NiFe/CoFe phún xạ trực tiếp màng sắt tư lên các đế áp điện 25 Kết khảo sát cấu trúc tinh thể cho thấy các hệ vật liệu sau chế tạo có cấu trúc tinh thể đặc trưng các pha sắt tư, sắt điện và có vi cấu trúc micro-nano Các vật liệu tổ hợp có tính tư mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng đóng góp các pha sắt tư mềm CoCr, NiFe/CoFe Dưới tác dụng điện thế, thay đổi tư độ ∆M phụ thuộc vào cường độ và hướng điện trường E so với tư trường H, giải thích sử dụng mơ hình tương tác điện tư thơng qua biến dạng Tại α = 0o, mẫu N2 với đế PZT phân cực ngang có ∆Mmax = 530 µemu và mẫu D1 với đế PZT phân cực dọc có ∆Mmax = 1540 µemu Quá trình đảo tư cảm ứng điện trường định cạnh tranh lượng tư trường H và điện trường E, đồng thời phụ thuộc vào hướng và độ lớn E, H Đã quan sát thấy hiện tượng thay đổi hướng tư độ tại điện Uđ thích hợp Thế đảo tư Uđ phụ thuộc vào hướng và cường độ tư trường Tại α = 0o, Hbias = - 50 Oe, Uđmin = V với mẫu N4 và Uđmin = 18 V với mẫu D1 Ngoài H bias = 0, Uđmin = -70 V với mẫu N2 và Uđmin = 21 V với mẫu D1 Việc sử dụng tư trường Hbias thích hợp đóng vai trò quan trọng quá trình đảo tư cảm ứng điện Để ứng dụng thực tế, việc sử dụng Hbias < HC Đã sử dụng mơ hình lý thuyết và tính toán để độ dày chuyển pha lớp sắt tư dtr = 0.2 nm, giảm ∆HeffOP(U) tương tự giảm M(U) và phản ánh chế tương tác điện tư thông qua biến dạng chiếm ưu hệ mẫu PZT/NiFe/CoFe có đế PZT phân cực dọc Xác định giá trị Ecr phù hợp có thể gây đảo trạng thái nhớ tư bit “0” đến bit “1” → đề xuất ứng dụng nhớ MERAM 26 ... 50 -50 -100 - -500 N1 -25 0 -20 0 - - - - 127 -65 20 0 117 25 0 N2 -1 72 -119 178- 165 -86 150 -70 -50 25 133 20 0 N3 -300 -25 0 100- - - -118 15 20 0 27 0 21 7 20 0 1 72 16 N4 -493 - 424 - - - 400 350 300 300... 0,004 P2 20 00 Oe 20 0 Oe 25 Oe Oe -25 Oe -30 Oe -20 0 Oe -20 00 Oe M (emu) 0,0 02 Ud 0,000 -0,0 02 -0,004 -400 -20 0 20 0 400 U(V) Hình 3.4: Sự phụ thuộc từ độ vào điện tác động từ trường khác mẫu P2 Sự... Bảng 3 .2 Bảng 3 .2: Các thông số từ đặc trưng mẫu D1, D2, D3 D4 HC (Oe) MS (μemu) 10 // 45o 90o // 45o 90o D1 (tNiFe = 10 nm) 75 97 122 1458 1360 1340 D2 (tNiFe = 25 nm) 100 120 163 1859 16 62 1500