Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micro nano trên nền sắt điện

MỞ ĐẦU Vật liệu đa pha sắt tổ hợp là vật liệu có các tính chất sắt điện và sắt từ tồn tại từng pha vật liệu riêng biệt và liên kết hai pha thông qua tính chất sắt đàn hồi tồn tại từng 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 từ có tính từ 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 từ vật liệu điện (điện trường) thay sử dụng từ 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 từ MRAM tương lai [4, 27, 28, 36, 117, 147] Khác với các chế đảo từ truyền thống, vật liệu này, nhờ liên kết điện từ các pha từ và điện mà quá trình đảo từ có thể thực hiện tác dụng điện trường ngoài Bộ nhớ MERAM ứng dụng chế đảo từ 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 Phịng 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 từ là hiệu ứng điều khiển độ phân cực tự phát P cách tác động từ trường H điều khiển từ độ tự phát M cách tác động điện trường ngoài E thông qua biến dạng () 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 (1.1) đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu,  > là ứng suất kéo,  < là ứng suất nén 1.1.2 Hiệu ứng từ giảo Từ giảo là hiện tượng thay đổi kích thước vật liệu từ trạng thái từ nó thay đổi Hiện tượng từ giảo này James Prescott Joule phát hiện lần vào năm 1842 Sự thay đổi trạng thái từ vật liệu có thể gây thay đổi nhiệt độ (từ giảo thể tích) từ trường ngoài (từ giảo Joule hay gọi là từ 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 từ Hiệu ứng điện từ có hai loại: hiệu ứng điện từ thuận và hiệu ứng điện từ ngược Hiện nay, số lượng các nghiên cứu công bố hiệu ứng điện từ 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 từ - từ giảo và sắt điện - áp điện là nội dung nghiên cứu khá thú vị tồn tại tương tác phân cực điện và phân cực từ 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 từ ferromagnetism và sắt đàn hồi - ferroelasticity Nếu xét từ 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 từ là hiệu ứng thể tích, vật liệu tổ hợp, tương tác các pha điện và từ xác định theo vùng phân giới liệu tổhợp hợp Vật liệu đơn phaloại đơnVật Vật Hình 1.6: VậtVật liệu đađơn phapha sắt phaliệu tổ tổ hợp liệu 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 từ 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 từ các vật liệu đơn pha thường xảy nhiệt độ thấp và từ trường cao, cộng hưởng sắt điện và sắt từ thấp, hệ số tương tác điện từ 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 từ riêng rẽ thông qua liên kết đàn hồi Liên kết này mô tả ảnh hưởng qua lại độ phân cực điện và phân cực từ vật liệu Nó có thể bắt nguồn trực tiếp từ 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 từ nhiệt độ phòng người ta có thể chế tạo các vật liệu tổ hợp tại nhiệt độ phịng 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 từ điện trường Vật liệu đa pha sắt có tương tác điện từ pha sắt từ và pha sắt điện đóng vai trò là vật liệu cho phép tồn tại chế điều khiển tính chất từ điện trường Quá trình điều khiển mơmen từ điện trường vật liệu đa pha sắt tổ hợp có thể xác định tương tác đàn hồi pha sắt từ và đế áp điện/sắt điện Dưới ảnh hưởng ứng suất học này, vật liệu sắt từ - từ giảo bị biến dạng và đó từ 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 từ điện trường các cấu trúc điện từ tổ hợp ứng dụng để chế tạo các nhớ MERAM Bộ nhớ MERAM sử dụng phương pháp đảo từ 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 từ điện trường có thể ứng dụng chế ghi từ thay cho ghi từ từ trường hay dòng điện, khắc phục các hạn chế các nhớ từ 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 2.1.1.1 Vật 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 m) 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 từ Vật liệu sắt từ lựa chọn gồm có Ni80Fe20 có tính chất từ mềm, và có thể làm tăng kết dính các lớp, nhạy với ứng suất tác động; Co50Fe50 có hệ số từ giảo dương và từ độ cao, có các tính chất tốt để đạt tương tác điện từ lớn [136] Các vật liệu này có tính chất từ 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 không 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 từ khác Các thông số chế tạo các lớp màng từ 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 dị huỳnh quang catơt (CL) 2.3 Các phương pháp đo tính chất điện từ 2.3.1 Tính chất từ 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) Dịng rị chất điện mơi 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 từ -400V đến 400V Sử dụng thiết bị VSM, có thể thu các đường M(U) biểu diễn phụ thuộc từ độ M vào điện tác dụng U 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng điện và phương từ trường Dựa các thiết lập thí nghiệm tiến hành khảo sát đo các đường M(U) tại các từ trường Hbias khác và đo theo các hướng khác từ 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 từ 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, từ 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 2 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 từ mềm đặc trưng và dị hướng từ 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 từ 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 từ độ thay đổi tác dụng điện U và M(0) là từ độ không có điện M có thể đạt 840 emu khoảng từ -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 từ mẫu PZT/CoCr cho thấy dị hướng từ mặt phẳng chiếm ưu Dưới tác dụng điện thế, mẫu P2 có độ thay đổi từ độ là M = 840 emu 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 từ NiFe/CoFe 3.2.2 Tính chất từ Tính chất từ hệ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe khảo sát phép đo đường cong từ hóa M(H) theo các hướng từ trường song song  = 0o, tạo góc  = 45o và vuông góc  = 90º so với mặt phẳng mẫu Kết dị hướng từ mặt phẳng chiếm ưu các mẫu đóng góp dị hướng từ mặt phẳng lớp sắt từ NiFe/CoFe Các thông số từ đặc trưng liệt kê Bảng 3.2 Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng mẫu D1, D2, D3 D4 Mẫu HC (Oe) o MS (μemu) o // 45 90 // 45o 90o D1 (tNiFe = 10 nm) 75 97 122 1458 1360 1340 D2 (tNiFe = 25 nm) 100 120 163 1859 1662 1500 D3 (tNiFe = 50 nm) 108 145 190 2175 1944 1758 D4 (tNiFe = 90 nm) 116 152 197 2366 2093 1867 3.2.3 Ảnh hưởng điện đến tính chất từ Các nghiên cứu ảnh hưởng điện lên tính chất từ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe cho thấy cấu trúc vật liệu tổ hợp, tương tác điện từ không phụ thuộc vào các thông số vật liệu, mặt phân giới sắt điện/sắt 10 từ mà phụ thuộc vào hướng điện tác động so với hướng phân cực lớp PZT Khi điện đặt vào lớp áp điện là dương âm, tức là chiều điện trường hướng với vectơ phân cực PZT phản song song, nó tạo ứng suất căng nén Một kết lý thú quan sát thấy đó là xuất hiện quá trình đảo từ tại các giá trị điện thích hợp Uđ Trên sở các kết đo M(U), các giá trị Uđ đo tại từ trường Hbias khác các mẫu tổ hợp (hình 3.12) Tại từ trường Hbias = Oe, quá trình đảo từ xảy tại giá trị điện Uđ = 40, 102, 234 và 265 V các mẫu D1, D2, D3 và D4 Như vậy, Uđ này tăng dần chiều dày lớp đệm NiFe tăng Quá trình đảo từ vật liệu tổ hợp xảy cạnh tranh lượng từ trường và lượng điện trường 600 d U (V) 300 D1 D2 D3 D4 -300 -600 -500 500 Hbias(Oe) Hình 3.12: Giá trị Uđ mẫu Di đo từ trường khác 3000 M (emu) 2000 2000G 1000G 200G 50G 0G -50G -75G -200G D1 1000 D1 -1000 -2000 -400  =90o  = 45o -200 200 -400 400 -200 U(V) U(V) 11 200 400 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 từ trường đến tính chất từ 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 từ trường lệch khỏi mặt phẳng màng M thay đổi rất nhỏ hướng từ trường vuông góc với mặt phẳng mẫu ứng với α = 90o Nếu so sánh kết đo theo các phương từ trường khác đảo từ đo theo phương song song α = 0o là lớn nhất, cịn đảo từ đo theo phương vng 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 từ mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu - Khi tăng điện U, từ độ M có xu hướng giảm tuyến tính Tại góc α o = với ΔU = 400 V, từ trường Hbias = -50 Oe, mẫu D1 có độ biến thiên từ độ lớn nhất là ΔMmax = 1540 emu và mẫu D4 có độ biến thiên từ độ nhỏ nhất là ΔMmin = 930 emu Tại α  0o, độ dốc đồ thị M(U) giảm dần - Khảo sát quá trình đảo từ cảm ứng điện trường, tăng độ dày tNiFe giá trị đảo từ Uđ tăng Mẫu D1 có (Uđ)min = 18 V, mẫu D4 có (Uđ)max = 165 V Đặc biệt, mẫu D1, không có từ trường Hbias, việc điều khiển đảo từ điện có thể thực hiện với Uđ = 21 V Uđ giảm hướng từ 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 từ và hiện tượng đảo từ cảm ứng điện trường nghiên cứu và giải thích định tính 12 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 (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 2 = 31.2o tương ứng với định hướng (110) So sánh với phổ nhiễu xạ chuẩn (từ thẻ chuẩn JCPDS #23-297), đỉnh nhiễu xạ tại 2 = 44o chứng tỏ tồn tại lớp sắt từ NiFe/CoFe Chú ý lớp NiFe và CoFe mỏng, đó cường độ các đỉnh không rõ nét 4.2 Tính chất từ Trong trường hợp từ trường ngoài song song, tạo góc 45o và vuông góc với mặt phẳng mẫu, giá trị từ độ bão hoà MS, Mr có xu hướng tăng tăng chiều dày lớp đệm NiFe Trong đó, lực kháng từ HC lại có chiều giảm dần chiều lớp đệm NiFe tăng Các giá trị từ 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 từ độ tác dụng điện Như thấy, có điện U tác dụng lên các điện cực PZT, từ 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 m và 1.33, mẫu N4 thay đổi này 13 nhỏ nhất là 470 m và 1.20 Điều này phù hợp với kết khảo sát tính chất từ Đối với hệ vật liệu tổ hợp điện từ 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 1 (hình 4.12) Mặt khác, lớp sắt từ NiFe/CoFe có dị hướng mặt phẳng Do đó hướng các mômen từ song song với trục ứng suất, tức là  = 0o nên K > Như đề cập, NiFe/CoFe có hệ số từ giảo dương S > vậy giá trị  > 0, tương ứng với ứng suất đế PZT Điều này phù hợp với thảo luận tăng từ 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 từ tác dụng điện Chúng ta có thể quan sát thấy hiện tượng mômen từ NiFe/CoFe thay đổi định hướng tại các giá trị điện Uđ xác định Giá trị Uđ này là khác với từ trường Hbias khác thống kê bảng 4.3 và hình 4.14 với xu hướng chung là tăng lên theo từ trường tác dụng Lấy ví dụ mẫu N2, giá trị đảo Uđ = 200, -86, -119 và -172 V tương ứng với các từ trường Hbias = -500, 50, 200 và 500 Oe Khi từ trường Hbias = -100 Oe Hbias = -50 Oe, giá trị Uđ thay đổi (âm dương) tùy từng mẫu Kết này cho thấy cạnh tranh lượng từ và 14 lượng điện quá trình đảo từ, đờng thời cho thấy khả có thể sử dụng điện thế/điện trường để thực hiện việc thay đổi định hướng mômen từ vật liệu từ Từ bảng 4.3 có thể thấy số giá trị đảo nhỏ Uđ = V 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 có thể đảo từ 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 N4 -493 -424 217- 200- 172- 300 400 509 400 350 300 4.4 Ảnh hưởng phương từ trường đến tính chất từ 15 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 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 thay đổi dị hướng các màng từ, 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 từ 190, 225, 320 nm, kí hiệu M1, P1 Hbias=50 Oe 400 M (emu) 200 U=0V U=100V U=-200V -200 -400 60 120 180   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 16 600 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 từ Uđ = -165, -300 và -250 V các mẫu N1, M1 và P1 tương ứng tại giá trị từ trường Hbias = 50 Oe tăng tăng chiều dày lớp CoFe (hình 4.19) Xu hướng là tương tự đo tại các giá trị từ trường Hbias khác Việc giảm chiều dày tổng cộng lớp sắt từ 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 từ cảm ứng điện trường có thể đạt Uđ = -150 V mà không cần từ trường Hbias Kết này có thể mở khả ứng dụng cho các thiết bị lưu trữ 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 - Đã chế tạo hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT-NiFe/CoFe 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 - Dưới tác dụng điện thế, từ độ M có xu hướng tăng tuyến tính theo điện 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   0o 17 - Thế đảo từ Uđ phụ thuộc vào độ lớn và hướng từ trường Hbias Đối với mẫu N2, Hbias = Oe, Uđ = -70 V - Ảnh hưởng điện thế, từ trường và chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ 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 từ thông qua biến dạng và tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới có thể sử dụng để giải thích các hiệu ứng điện từ vật liệu đa pha sắt tổ hợp Trong đó, tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới liên quan đến việc điều khiển trực tiếp dị hướng từ tinh thể điện thơng qua thay đổi cấu hình spin mặt phân giới Riêng tương tác điện từ 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 từ thông qua tương tác đàn hồi Tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới thường xem xét các màng FM siêu mỏng, cịn tương tác điện từ thơng qua biến dạng chi phối các màng FM dày hơn, dẫn đến điều khiển dị hướng từ điện phụ thuộc vào chiều dày lớp FM Sự thay đổi tổng dị hướng từ tác dụng điện trường dọc theo chiều dày lớp áp điện có thể biểu diễn theo tham số độ dày d công 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 hai chế tương 18 tác điện từ các đóng góp từ 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 H OP eff (U) quan sát cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe Hơn nữa, lấy phần dương tương ứng với ứng suất từ đế PZT là ứng suất nén (như giải thích mục 3.2) màng NiFe/CoFe có hệ số từ giảo dương nên giữ cho trục dễ từ hoá nằm theo phương mặt phẳng Như vậy, giảm HeffOP tương tự thay đổi từ độ theo điện M(U) hình 3.10, phản ảnh tương tác điện từ thông qua biến dạng chiếm ưu thế, thay đổi dị hướng từ 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 từ độ Sự giảm HeffOP tương tự thay đổi từ độ theo điện M(U) cho thấy chế tương tác điện từ thông qua biến dạng chiếm ưu thế, đóng góp đến thay đổi dị hướng từ cảm ứng điện 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 19 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 từ 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 từ 90o lớp sắt từ tự do, đó mômen từ lớp cố định giữ vị trí ban đầu Tương tác mômen từ hai lớp cố định và tự lệch góc 90o tạo nên thay đổi tính chất hệ, là điện trở Sự khác biệt điện trở hệ hai trường hợp Mf // Mh và Mf  Mh có khả đặc trưng cho trạng thái nhớ khác (“0” và “1”) có thể ứng dụng lưu trữ thơng tin kiểu MERAM a) b) 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 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 từ là [010] (m1 = 0) với lượng cực tiểu E = Khi tăng điện trường tác dụng, ta gọi quá trình thay đổi từ độ từ hướng [010] sang hướng [100] là quá trình thuận, và quá trình ngược lại là quá trình nghịch Ta có: 20 E  cr fsw C k d   0 M s H ex  W d B1  d 33  d 31  K1  0 M s2 (5.23a) là điện trường có thể làm thay đổi hướng từ độ quá trình thuận, và cr bsw E  C k d   0 M s H ex  W d B1  d31  d 33  K1  0M s2 (5.23b) là điện trường có thể làm thay đổi hướng từ 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 từ (ký hiệu độ E cr dày là d) Hình 5.8 cho thấy phụ thuộc điện trường thuận fsw và cr nghịch Ebsw vào độ dày d xét đến xuất hiện lượng bề mặt 21 Hình 5.8: Sự phụ thuộc điện trường thuận E crfsw cr nghịch Ebsw vào chiều dày d lớp sắt từ tự (có xét đến lượng bề mặt M0 M Fsurf  Fsurf  Fsurf   m1 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 từ điện trường ngoài và các nhớ kiểu MERAM, giá trị điện trường này có thể sử dụng để ghi từ Với giá trị xác định số γ, ta nhận thấy tính chất thú vị giá trị điện trường Ecr Với giá trị d lớn, ví dụ d > nm, giá trị điện trường khơng cịn 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 từ (E < Ecr) trục từ dễ khơng thể quay So sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm chương trên, khoảng giá trị điện sử dụng ± 300V tương ứng với điện trường gần kV/cm, là khá phù hợp với giá trị điện trường tính toán này 22 cr cr Hình 5.9: Sự phụ thuộc điện trường thuận E fsw nghịch Ebsw vào chiều dày d lớp sắt từ tự (có xét đến lượng bề mặt M0 M Fsurf  Fsurf  Fsurf   m1 d ) Kết luận chương Chúng sử dụng mơ hình dị hướng để mơ tả các yếu tố dị hướng lớp sắt từ vật liệu tổ hợp đa lớp có các lớp sắt từ 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 cịn khảo sát mức ảnh hưởng độ đày lớp từ mềm lên điện trường ngưỡng chế kiểu MERAM Nếu không tính đến biến dạng bề mặt điện trường chuyển xuôi (từ bit “0” sang bit “1”) E crfsw giảm tăng độ dày lớp màng FM Ngược lại, điện trường chuyển ngược (từ bit “1” sang bit “0”) cr Ebsw lại tăng tăng độ dày lớp màng FM 23 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 từ lên các đế áp điện 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 từ, sắt điện và có vi cấu trúc micro-nano Các vật liệu tổ hợp có tính từ mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng đóng góp các pha sắt từ mềm CoCr, NiFe/CoFe Dưới tác dụng điện thế, thay đổi từ độ M phụ thuộc vào cường độ và hướng điện trường E so với từ trường H, giải thích sử dụng mơ hình tương tác điện từ thơng qua biến dạng Tại  = 0o, mẫu N2 với đế PZT phân cực ngang có Mmax = 530 emu và mẫu D1 với đế PZT phân cực dọc có Mmax = 1540 emu 24 Quá trình đảo từ cảm ứng điện trường định cạnh tranh lượng từ 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 từ độ tại điện Uđ thích hợp Thế đảo từ Uđ phụ thuộc vào hướng và cường độ từ trường Tại  = 0o, Hbias = - 50 Oe, Uđmin = V với mẫu N4 và Uđmin = 18 V với mẫu D1 Ngoài Hbias = 0, Uđmin = -70 V với mẫu N2 và Uđmin = 21 V với mẫu D1 Việc sử dụng từ trường Hbias thích hợp đóng vai trò quan trọng quá trình đảo từ 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 từ dtr = 0.2 nm, giảm HeffOP(U) tương tự giảm M(U) và phản ánh chế tương tác điện từ 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 từ bit “0” đến bit “1”  đề xuất ứng dụng nhớ MERAM 25 ... theo vùng phân giới liệu t? ?hợp hợp Vật liệu đơn phaloại đơnVật Vật Hình 1.6: VậtVật liệu đađơn phapha sắt phaliệu tổ tổ hợp liệu 1.2.1 Vật liệu đơn pha Vật liệu đa pha sắt đơn pha là vật... lớp sắt từ đến tính chất từ 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. .. hạn chế các nhớ từ 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 2.1.1.1 Vật liệu sắt điện