Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano: Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật liệu đa pha sắt tổ hợp

Trong luận án này chúng tôi đã chế tạo thành công các hệ vật liệu tổ hợp PZT/CoCr bằng phương pháp kết dính và PZT/NiFe/CoFe bằng phún xạ trực tiếp màng sắt từ lên các đế áp điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

MỞ ĐẦU Vât liêu đa pha s ̣ ̣ ắt tổ hợp la vât liêu co cac tinh chât săt điên va săt t ̀ ̣ ̣ ́ ́ ́ ́ ́ ̣ ̀ ́ ư ̀ tôn tai trong t ̀ ̣ ưng pha vât liêu riêng biêt và liên k ̀ ̣ ̣ ̣ ết hai pha thơng qua tính   chất sắt đàn hồi tồn tại trong từng pha. Các nghiên cứu cho thấy vật liệu  đa pha sắt tổ  hợp có tính chất tốt hơn 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 từ  có tính từ  giảo người ta có thể  tạo ra vật liệu đa pha sắt tổ  hợp có các ưu điểm của cả hai pha vật liệu Trong các nghiên cứu về  vật liệu đa pha sắt, hướng nghiên cứu về  khả     điều   khiển   tính   chất   từ     vật   liệu     điện     (điện   trường) thay vì sử dụng từ trường đang thu hút được sự quan tâm của các  nhà khoa học bởi khả  năng  ứng dụng trong cơng nghệ  lưu trữ  thơng tin.  Dựa trên ngun lý này, một thế hệ lưu trữ thơng tin gọi tên là MERAM   (Magneto­Electric Random Access Memories) mới được hứa hẹn có thể  thay thế  được các bộ  nhớ  từ  MRAM trong tương lai [4, 27, 28, 36, 117,   147]. Khác với các cơ  chế  đảo từ  truyền thống, trong vật liệu này, nhờ  liên kết điện từ giữa các pha từ và điện mà q trình đảo từ có thể được   thực hiện dưới tác dụng của điện trường ngồi. Bộ  nhớ  MERAM  ứng   dụng cơ  chế  đảo từ  bằng điện trường có các  ưu điểm vượt trội so với   các phương pháp truyền thống như  mật độ  lưu trữ  thơng tin cao, tốc độ  ghi bộ nhớ nhanh, giảm năng lượng tiêu thụ, khi ghi thơng tin ít gây  ảnh   hưởng đến các ơ nhớ xung quanh.  Hịa nhịp với sự phát triển các hướng nghiên cứu về vật liệu đa chức  năng hiện nay, Khoa Vật lý kỹ  thuật và Cơng nghệ  nano và Phịng thí  nghiệm trọng điểm Cơng nghệ  micro­nano thuộc Trường Đại học Cơng   nghệ (ĐHQGHN) đang triển khai các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật  liệu đa pha sắt tổ hợp.   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1  Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ Hiệu  ứng điện từ  là hiệu  ứng điều khiển độ  phân cực tự  phát   P  bằng cách tác động từ  trường H hoặc điều khiển từ  độ  tự  phát  M bằng  cách tác động điện trường ngồi E thơng qua sự biến dạng  ( ).  1.1.1 Hiệu ứng áp điện  Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên được khám phá vào năm 1880 bởi anh  em nhà Curie, Jacques và Pierre Curie, trên các tinh thể  khống. Khi chịu   tác dụng của lực ngồi, các tinh thể  bị phân cực điện, sự phân cực này tỉ  lệ với độ lớn và hướng của lực tác dụng. Độ nén và độ giãn của các tinh   thể  sinh ra một điện thế  phân cực ngược tỉ  lệ  với lực đặt vào. Đây là   hiệu  ứng áp điện thuận. Sau đó ta cũng quan sát thấy nếu đặt một điện   thế lên tinh thể áp điện sẽ xuất hiện một điện trường làm tinh thể dài ra   hoặc co ngắn theo sự phân cực của điện trường và tỉ lệ thuận với độ lớn  của điện trường. Hiệu ứng áp điện đặc trưng bằng cơng thức: E = ­k                                               (1.1) trong đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu,   > 0 nếu là ứng suất kéo,    0. Như đã đề cập, NiFe/CoFe có  hệ số từ giảo dương  S > 0 vì vậy giá trị    > 0, tương  ứng với ứng suất   của đế PZT. Điều này phù hợp với thảo luận ở trên về  sự tăng từ độ  khi   tăng điện thế tác dụng 14 Hình 4.12: a) Màng từ dưới tác dụng của ứng suất  b) Mơ hình dị hướng   từ cảm ứng suất trong trường hợp đế áp điện phân cực ngang 4.3.2 Q trình đảo từ dưới tác dụng của điện thế Chúng ta có thể quan sát thấy hiện tượng mơmen từ của NiFe/CoFe  thay đổi định hướng tại các giá trị  điện thế  Uđ xác định. Giá trị  Uđ này là  khác nhau với từ trường Hbias khác nhau như được thống kê trong bảng 4.3  và hình 4.14 với xu hướng chung là tăng lên theo từ trường tác dụng. Lấy   ví dụ  đối với mẫu N2, giá trị  thế  đảo U đ = 200, ­86, ­119 và ­172 V lần   lượt tương  ứng với các từ trường Hbias = ­500, 50, 200 và 500 Oe. Khi từ  trường Hbias  = ­100 Oe hoặc Hbias  = ­50 Oe, giá trị  Uđ  thay đổi (âm hoặc  dương) tùy từng mẫu. Kết quả  này cho thấy sự  cạnh tranh giữa năng  lượng từ  và năng lượng điện trong q trình đảo từ, đồng thời cho thấy   khả năng có thể sử dụng điện thế/điện trường để thực hiện việc thay đổi  định hướng của mơmen từ  trong vật liệu từ. Từ  bảng 4.3 cũng có thể  thấy một số  giá trị  thế  đảo nhỏ  như  Uđ  = 1 V đối với mẫu N4 tại từ  trường Hbias = ­50 Oe, Uđ  = 25 V (mẫu N2) và Uđ  = 15 V (mẫu N3) tại từ  trường Hbias = ­100 Oe. Khả năng có thể đảo từ tại các giá trị điện thế nhỏ  như vậy sẽ có ý nghĩa về mặt ứng trong lưu trữ thơng tin do tiêu tốn ít về  mặt năng lượng 15 Hình 4.14: Giá trị Uđ của các mẫu Ni đo tại các từ trường khác nhau Bảng 4.3: Thế đảo từ Uđ của các mẫu Ni tại các từ trường khác nhau 500 200 100 50 ­50 ­100 ­200 ­500 N1 ­250 ­200 ­178 ­165 ­150 ­127 ­65 117 250 N2 ­172 ­119 ­100 ­86 ­70 ­50 25 133 200 N3 ­300 ­250 ­217 ­200 ­172 ­118 15 200 270 N4 ­493 ­424 ­400 ­350 ­300 300 400 509 4.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ  So sánh các đồ thị M(α) khi U = 0 V của mẫu N1 với đồ thị  M(α) khi  U = 100 V, chúng ta thấy khi có điện trường đặt vào, dạng hình sin của  M(α) sẽ  bị biến đổi với các giá trị  cực đại, cực tiểu thay đổi (hình 4.18)   Với nhóm đường M(α) nằm trên đường M = 0, giá trị  cực đại của từ độ  dịch chuyển từ vị trí α = 0o sang vị trí α = 30o và chu kì biến thiên thay đổi  từ T = 180o sang T = 120o,  chứng tỏ tồn tại sự thay đổi dị hướng của các  màng từ, dưới tác dụng của một giá trị  điện thế  đủ  lớn tác động lên pha  áp điện.  4.5 Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ  Ngồi việc chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp có chiều dày lớp NiFe  thay đổi như  đã thảo luận   trên, chúng tơi cũng đã chế  tạo các hệ  vật  16 liệu đa pha sắt tổ hợp chiều dày lớp NiFe cố định là 10 nm, và chiều dày   lớp CoFe thay đổi từ 190, 225, 320 nm, được kí hiệu M1, P1 Hình 4.18: Sự phụ thuộc của từ độ vào hướng của từ trường M(α) của   mẫu N1 đo tại Hbias = 50 Oe trong trường hợp:  a) U = 0 V, b) U = 100 V, c) U = ­200 V Hình 4.19: Giá trị Uđ của các mẫu có chiều dày lớp CoFe thay đổi đo tại   các từ trường Hbias khác nhau  Thế  đảo từ  Uđ  = ­165, ­300 và ­250 V của các mẫu N1, M1 và P1   tương  ứng tại cùng giá trị từ trường Hbias = 50 Oe tăng khi tăng chiều dày  lớp CoFe (hình 4.19). Xu hướng là tương tự khi đo tại các giá trị từ trường  Hbias khác nhau. Việc giảm chiều dày tổng cộng của lớp sắt từ có ý nghĩa   quan trọng trong việc giảm năng lượng tiêu thụ để có khả năng ứng dụng  trong các thiết bị  điện tử. Với mẫu N1, q trình đảo từ  cảm  ứng điện   trường có thể đạt được khi Uđ = ­150 V mà khơng cần từ trường Hbias. Kết  quả này có thể mở ra khả năng ứng dụng cho các thiết bị lưu trữ dữ liệu   với việc giảm kích thước và loại trừ hiệu ứng giao thoa từ các nam châm  điện hay nam châm vĩnh cửu Kết luận chương 4 ­  Đã chế  tạo được hệ  vật liệu đa pha sắt tổ  hợp PZT­NiFe/CoFe bằng  phún xạ trực tiếp màng mỏng từ lên đế áp điện PZT phân cực ngang  Các  mẫu có tính từ mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu thế ­  Dưới tác dụng của điện thế,  từ độ M có xu hướng tăng tuyến tính theo   điện thế U. Mẫu N2 có  Mmax = 530  emu, mẫu N4 có  Mmin =  470  emu  tại  U = 400 V, Hbias = 50 Oe.  Độ dốc M(U) giảm dần khi  17    0o ­  Thế đảo từ  Uđ phụ thuộc vào độ lớn và hướng của từ trường H bias. Đối  với mẫu N2, Hbias = 0 Oe, Uđ = ­70 V.  ­   Ảnh hưởng của điện thế, từ  trường và chiều dày lớp sắt từ  đến tính  chất từ  của cấu trúc tổ  hợp cũng đã được nghiên cứu và giải thích định  tính CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 5.1  Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ  của vật liệu đa  pha sắt tổ hợp Hai cơ chế tương tác điện từ thơng qua biến dạng và tương tác điện   từ  thơng qua điện tích mặt phân giới có thể  được sử  dụng để  giải thích   các hiệu ứng điện từ trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp. Trong đó, tương tác   điện từ thơng qua điện tích mặt phân giới liên quan đến việc điều khiển   trực tiếp dị  hướng từ  tinh thể  bằng điện thế  thơng qua sự  thay đổi cấu   hình spin mặt phân giới. Riêng đối với tương tác điện từ  thơng qua biến  dạng, điện trường ngồi tác động lên đế FE gây ra ứng suất dọc theo mặt   phân   giới   và  làm  biến   đổi  dị  hướng   từ   thông  qua  tương   tác   đàn   hồi   Tương tác điện từ  thơng qua điện tích mặt phân giới thường được xem   xét trong các màng FM siêu mỏng, cịn tương tác điện từ  thơng qua biến  dạng chi phối các màng FM dày hơn, dẫn đến sự điều khiển dị hướng từ  bởi điện thế phụ thuộc vào chiều dày của lớp FM.  Sự  thay đổi tổng dị  hướng từ  dưới tác dụng của điện trường dọc   theo chiều dày lớp áp điện có thể được biểu diễn theo tham số độ  dày d   trong cơng thức:              (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 đối với hai cơ chế tương  18 tác điện từ khi các đóng góp từ hai cơ chế là bằng nhau, được ước tính là   khoảng 0.2 nm.  Như  có thể  thấy trên hình 5.5, sự  bất đối xứng và giảm đơn điệu     HeffOP(U)  được quan sát đối với cấu trúc tổ  hợp PZT/NiFe/CoFe.  Hơn nữa, nếu lấy phần thế dương tương  ứng với  ứng suất từ đế  PZT là  ứng suất nén (như giải thích ở mục 3.2) thì do màng NiFe/CoFe có hệ số  từ  giảo dương nên giữ  cho trục dễ từ hoá nằm theo phương mặt phẳng   Như  vậy, sự  giảm của  HeffOP tương tự  như  sự  thay đổi của từ  độ  theo   điện thế  M(U) trên hình 3.10, phản ảnh tương tác điện từ thơng qua biến  dạng chiếm  ưu thế, cũng như  sự thay đổi dị  hướng từ có thể  được điều   khiển bởi điện thế trong cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe này.  Như  vậy, bằng cách giải thích bán định lượng, chúng tơi đã chỉ  ra   rằng trong cấu trúc tổ  hợp PZT/NiFe/CoFe,  ứng suất nén do đế  áp điện   PZT gây ra sự giảm từ độ. Sự giảm của  HeffOP tương tự như sự thay đổi  của từ  độ  theo điện thế  M(U) cho thấy cơ  chế  tương tác điện từ  thông  qua biến dạng chiếm ưu thế, đóng góp đến sự thay đổi dị hướng từ cảm   ứng bởi điện thế 19 Hình 5.5: Sự thay đổi cảm ứng điện trường của  HeffOP trong vật   liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe với các chiều dày lớp sắt từ khác   5.2  Ảnh hưởng của các yếu tố  dị  hướng lên q trình định hướng  spin của vật liệu đa pha sắt tổ hợp  5.2.1 Mơ hình Trên hình 5.6 là sơ  đồ  cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe (đế  PZT  phân cực ngang) dùng để  tính tốn. Giả sử  mơmen từ của lớp NiFe la t ̀ ự  do (ky hiêu  ́ ̣ Mf) và cua l ̉ ớp CoFe la c ̀ ố định (ky hiêu  ́ ̣ Mh), ban đầu co đ ́ ịnh  hướng song song vơi h ́ ương [010] trong m ́ ặt  phẳng. Một   điện trường   được cấp vào lớp sắt điện PZT gây nên sự thay đổi định hướng mơmen từ  90o trong lớp sắt từ tự do, trong khi đó mơmen từ của lớp cố định vẫn giữ  vị trí ban đầu. Tương tác giữa mơmen từ của hai lớp cố định và tự do khi   lệch góc 90o sẽ tạo nên sự thay đơi tinh chât cua hê,  ̉ ́ ́ ̉ ̣ ở đây là điên tr ̣ ở. Sự  khác biệt về điện trở của hệ trong hai trường hợp Mf // Mh và Mf   Mh có  khả  năng đặc trưng cho 2 trạng thái nhớ  khác nhau (“0” và “1”) có thể  được ứng dụng trong lưu trữ thơng tin kiểu MERAM Hình 5.6: a) Cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế PZT phân cực   ngang b) Q trình thay đổi định hướng mơmen từ 90o trong lớp sắt từ tự do 20 Bằng cách cực tiểu hóa độ thay đổi của năng lượng, ta có thể tìm ra   điện trường giới hạn. Giả sử hướng ban đầu của mơmen từ là [010] (m 1 =  0) với năng lượng cực tiểu E = 0. Khi tăng điện trường tác dụng, ta gọi   q trình thay đổi từ  độ  từ  hướng [010] sang hướng [100] là q trình  thuận, và q trình ngược lại là q trình nghịch. Ta có:  là điện trường co thê lam thay đ ́ ̉ ̀ ổi hướng từ độ trong qua trinh thu ́ ̀ ận, va ̀   là điện trường co thê lam thay đ ́ ̉ ̀ ổi hướng từ  độ  trong qua trinh ngh ́ ̀ ịch.  Trong phần kết quả, để  tiện so sánh về  độ  lớn, chúng tơi vẽ  giá trị  của   điện trường tới hạn trong q trình nghịch là giá trị tuyệt đối.  5.2.2 Kết quả Gia tri đi ́ ̣ ện trường trên trong cac công th ́ ưc (5.23a, b), ky hiêu chung ́ ́ ̣   la ̀Ecr, được tính tại các giá trị độ dày khác nhau của màng sắt từ (ký hiệu  độ  dày là d). Hình 5.8 cho thấy sự phụ thuộc của điện trường thuận  và  nghịch vào độ dày d khi xét đến sự xuất hiện của năng lượng bề mặt.  21 Hình 5.8: Sự phụ thuộc của điện trường thuận  và nghịch   vào chiều dày d của lớp sắt từ tự do (có xét đến năng lượng bề mặt ) Có thể thấy  điện trường giới hạn  Ecr phụ thuộc mạnh vào độ dày d  của lớp tự do trong vùng d ≤ 2 nm. Đóng góp của năng lượng bề mặt dẫn   đến sự  biến đổi khơng tuyến tính của giá trị  điện trường giới hạn   Ecr.  Hơn nữa, có một điểm giao nhau giữa hai đường tại giá trị  d = 2 nm   Điểm giao nhau này cho biết giá trị độ dày  d mà tại đó điện trường thuận  và nghịch bằng nhau . Điều này cho thấy có thể thay đổi hướng mơmen từ  băng m ̀ ột điện trường ngoai và trong các b ̀ ộ  nhớ  kiểu MERAM, giá trị  điện trường này có thể được sử dụng để ghi từ Với một giá trị  xác định của hằng số  γ, ta nhận thấy một tính chất  thú vị của giá trị  điện trường Ecr. Với giá trị d lớn, ví dụ d > 4 nm, giá trị  điện trường sẽ  khơng cịn phụ  thuộc vào năng lượng bề  mặt (hình 5.9)   Chúng ta thấy, nếu điện trường được áp vào lớp áp điện khơng đủ lớn để  gây ra biến dạng truyền lên lớp sắt từ (E