Các bài thực hành chuyên đề công nghệ quang tử và nano

Nguyễn Năng Định ( C h ủ b iê n ) Vũ D o ã n M i ê n , T r ầ n Thị T â m , P h m V ă n H ộ i, P h a n N g ọ c M i n h , N g u y ễ n Đ ứ c N g h ĩ a , N g u y ễ n T h ă n g Long, P h m Đ ứ c T h ắ n g , Đ ỗ Thị H n g G i a n g CÁC BÀI THựC HÀNH CHUYÊN ĐỂ ■ C Ô N G N CH Ệ Ọ U A N C T Ử V À INANÓ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q UốC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC Lời nói đầu Bài Đ O Đ Ặ C T R U N G Đ I Ò T PHÁT Q U A N G (LED) I Mục đích yêu c ầ u .11 II Phần íý thuyết 11 Hi Phần thực h n h 15 Câu hỏi chuẩn b ị .19 Bài Đ O Đ Ặ C T R Ư N G LASER BÁ N D Ấ N (LBD) I Mục đích yêu c ầ u 21 II Phần lý thuyết 21 Hỉ Phần thực h n h 25 Cáu hỏi chuẩn b ị 27 Bài K H Á O SÁT K H U ẾC H ĐẠÍ LASER BÁN D Ẫ N I Mục đích yêu c ầ u 29 II Phần lý thuyết 29 III Phàn thực h n h 36 Càu hỏi chuắn b ị 37 Bài T H Ụ C H À N H T H Ô N G TIN Q U A N G SỢI s ố H O Á I Mục đích yêu c ầ u 39 II Phần lý thuyết 39 Mỉ Phần thực h n h 42 Câu hỏl chuẩn b i 43 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN Đằ CÒN G NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO Bài T H Ự C H À N H BIẾN Đ IỆ U PCM VÀ M Ả H O Á MANCHESTER C H O TÍN HIỆU THOẠI I Mục đích yêu c ầ u .45 II Phần lý thuyết 45 III Phần thực h n h 46 Câu hỏi chuẩn b ị 50 Bài NGHIÊN c ứ u ĐẶC TRƯNG c BẢN C Ủ A SỢI Q U A N G PH A TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 51 II Phần tý thuyết 51 III Phần thực h n h 57 Câu hỏi chuẩn b ị 57 Bài XÁC Đ ỊN H N G U Ỏ N SIÊU BÚC XẠ TỪ Q U A N G SỢI PHA TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 39 II Phần lý thuyết III Phần thực h n h 66 Câu hỏi chuẩn b ị 67 Bài C Á C H T Ử BRAGG I Mục đích yêu c ầ u 69 II Phần lý thuyết 69 íll Phần thực h n h 71 Câu hỏl chuẩn b ị 72 M ụ• c lục • _ Bài LASER Q U A N G SỢI PHA TẠP ERBIUM - CHÊ Đ Ộ TĨNH I Mục đích yêu c ầ u .73 II Phần lý thuyết 73 III Phần thực h n h 85 Câu hỏi chuẩn b ị 86 Bài 10 N G H IÊ N C Ứ U Đ Ộ N G H Ọ C LASER Q U A N G SỢI PH A TẠP ERBIUM V Ớ I C Ấ U H ÌN H T H Ẳ N G I Mục đích yêu c ầ u 87 II Phần lý thuyết 87 III Phần thực h n h 91 Câu hói chuẩn b ị 92 Bài 11 KH UẾCH ĐẠI Q U A N G SỢI PH A TẠP ERBIUM I Mục đích yêu c ầ u 93 II Phần lý thuyết 93 III Phần tliực h n h 97 Câu hỏi chuẩn b ị 98 Bài 12 T H Ự C H À N H TRUYỀN T H U SIÊU C A O TẦN B Ằ N G CÁP Q U A N G VÀ THIẾT B| LẶP LẠI T H Ơ N G TIN S Ĩ ĐẾN 5 ,2 M b p s I Mục đích yêu c ầ u 101 II Phần lý thuyết 101 IM Phần thực h n h 105 Câu hỏi chuẩn b i .109 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐẾ c ô n g n g h ệ q u a n g t ứ v NANO Bài 13 CHÊ T Ạ O Đ Ẩ U TÍP KIM LOẠI KÍCH T H Ư Ớ C N A N O MÉT B Ầ N G P H Ư Ơ N G PHÁP Ả N M Ò N Đ IỆ N H Ĩ A I Mục đích u c ầ u 111 II Phần lý thuyết 111 ỉll Phần thực h n h 116 Câu hòi chuẩn b ị ì J1 Bài 14 C H Ế T Ạ O Ó N G N A N O C A R B O N B Ă N G P H Ư Ơ N G PHÁP LẮ NG Đ Ọ N G PH A HƠI H Ó A H Ọ C I Mục đích yêu c ầ u .1 23 II Phần lý thuyết 23 III Phần thực h n h 127 Câu hỏi chuẩn b ị 31 Bài 15 CHÊ T Ạ O VẬT LIỆU N A N Ô B A N G P H Ư Ơ N G PH Á P Đ Á O MIXEN ỉ Mục đích yêu c ầ u 133 II Phần lý thuyết 133 III Phần thực h n h 141 Câu hỏi chuẩn b ị 144 Bài 16 K H Ả O SÁT Đ Ặ C T R U N G VÀ KHẢ N Ả N C Ứ N G D Ụ N G C Ủ A CẢM BIẾN ÁP SUẤ T MEMS I Mục đích yêu c ầ u 145 II Giới thiệu sở công nghệ MEMS 145 III Phần thực h n h 156 Câu hỏi chuẩn b ị 169 M ụ♦c lục • _7 Bài 17 K H Á O SÁT Đ Ặ C T R U N G VÀ KHÁ N Ă N G Ú N G D Ụ N G CÚA CÁM BIẾN GIA T ố c MEMS I Mục đích yêu c ầ u 71 II Lý t h u y ế t 71 ỉ!! Phần thực h n h 78 Nhiệm vụ sinh viên 187 Bài 18 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC BỂ MẶT VẬT RAN BẰNG HIỂN VI L ự c N G U Y Ê N TỬ (AFM) I Mục đích yêu c ầ u 189 li Nguyên lý hoạt đ ộng 189 ill Phần thực h n h 193 Bài 19 K H Á O SÁT C Ấ U TRÚC T IN H THỂ C Ủ A VẬT LIỆU B Ằ N G N H IỄU XẠ TIA X ỉ, Mục đich yêu c i u 203 II Lý t h u y ế t 203 íll Phần thực h n h 21 Bài K H Á O SÁT T TÍN H B A N G T Ừ KÊ M Ẳ U R U N G I Mục đích yêu c ầ u 215 II Lý t h u y ế t 215 III Phần thực h n h 222 CÁC BẢI TH Ự C HÀNH CHUYÊN ĐẾ c ò n g n g h ệ q u a n g t v NANO Bài 21 K H Ả O SÁT HIỆU Ú N G T Ù ĐIỆN T R Ớ B Ằ N G P H Ư Ơ N G PHÁP B Ố N M Ũ I D Ò I Mục đích yêu c ầ u 225 II Lý t h u y ế t 225 III Phần thực h n h 232 Bài 2 KH ẢO SÁT CÁC TÍNH C H Ấ T SẮT ĐIỆN I Mục đích ỵêu c ầ u 235 II Lý t h u y ế t .235 III Phần íhưc h n h 242 Lời nói đầu G iáo trinh “ C c thực hành chuyên đề công nghệ quang tử ìiano ” đư ợc tậ p thể giả ng viên K h o a Vật lý Kỹ thuật & C ô n g nghệ nano, T r n g Đại h ọ c C ô n g ng hệ - Đ H Q G H N biên soạn G S T S N g u y ễ n N ă n g Đ ịnh làm chù bièn n h ằm phục vụ dạy học thực hàn h cho sinh viôn c ù a n g n h Vật lý Kỹ thuật, T r n g Đại học C ò n g nghệ, Đại học Q u ố c gia Hà Nội G iáo trình giúp sinh viên cù n g cố n ắ m vữ n g k iến thức c s ng àn h c h uyên ngành, đồng thời thực tập kĩ thuật, c ò n g nghệ q u a n g từ c ô n g ngh ệ vật liệu cấu Irúc nano G iá o trình gồ m 22 bài, dó tác giả sau chịu trách nhiệm biên soạn t n g ứng: PGS Vũ Doãn M icn (Bài - 5), PGS, Trần Thị T â m (Bài - 1 ) , PG S P hạm Văn Hội (Bài 12), PGS Phan Ngọc Minh (Bài 13 - 14), GS N g u y ễ n Dức N ghĩa (Bài 15), TS N guyễ n Thăng Long (Bài 16 -18), PGS P h m ỉ)ứ c T h ắ n g (Bài 19 - 22) TS Đỗ 7'hị ll in m g Giang (Bài 20 - 21) G S N gu yỗn N ă n g Đ ịn h chịu trách nhiệm hiệu dính h sửa tất cá c a c C c ihực hàn h có cấu trúc gồm phần mục đích yêu cũn phân lỳ thuyết, phân thực hành câu hoi chuún bị cho sinh viên Nội d u n g đư ợc trinh bà y từ lý thuyết dến thực hành, h n g dẫn c c h xác định đặc trưng, tính chất linh kiện q u a n g tử; cách chế lạo ph ân tích m ộ t số th n g số c vật liệu n an o nh ận Vì v ậ y g iá o trình có tác d ụ n g n h tài liệu đề học p h n g p h p c ô n g nghệ q u a n g tử n a n o đại, qua giúp sinh viên người đọc nắm bẩt d ợ c bàn ch ất kĩ thuật q u a n g tử công nghệ vật liệu cấ u trúc na no từ n h ữ n g đối t ợ n g cụ thể 10 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYỀN ĐẼ CỐNG NGHỆ QUAN G TỬ VÀ NANO T r o n g trình biên soạn, tập thể tác già khô ng tránh khỏi n hữ n g thiếu SÓI khiếm khuyết C h ú n g biết ơn tất cà dộc già n hữ ng dóiig gó p ý kicn nhận xét, để giáo trình “ C áí' hàt th ự c h nh chuyên đề công nghệ quang từ nano" vừa dáp ứim yêu cầu ciiất lượng vừa có hiệu quà sừ d ụng cao trường đại học thuộc khối khoa học tự nhiên, kỹ ihuật cô n g ntỉhệ, cũ n g n h tr on g c sở nghicii cứu sàn xuất, v.v c s N g u y ễn N ă n g Đ ịn h Bài 21 Kháo sát hiệu ứns từ điện trò phuứns pháp bốn mũi dò 229 xụ m n h kênh cịn lại có spin cù n g chiều với từ độ nên truyền qua đ ợ c dễ dàng điện trờ suất kênh bé Kí hiệu điện trở tán xạ cùa spin cù n g chiều từ độ gây nôn rTĩ tán xạ cùa spin ng ược chiều từ độ r t ị , giá trị điện trở tư n g đ n g m ẫu tù n g trư ng hợ p n h sau: - Đối với cấu hỉnh phản sắt từ: - Dối với cấu hình sắt từ: ^ = —' ' t t + '■ti (21.4) (21.5) C ó thể nhận thấy / ? ĩị > /?Tt, tức cấu hỉnh ph ản sắt từ ứ ng với trạ ng thái điện trở lớn cịn cấu hình sẳt từ ứn g với trạng thái điện trở nhỏ N h độ lớn G M R có liên q u an ch ặt ch ẽ tới tán xạ hai kênh spin điện tử c hu yển đ ộ n g qua lớp M ặc dù s ự tán xạ phụ ihuộc spin s-d bắt nguồn từ lớp sắt từ n h n g k h n g chi xảy lịng c ù a lớp sẳt từ m xảy tro ng vù ng c huy ển tiếp g iữ a lớp sắt từ lớp kim loại không từ Sự lán xạ bên cùa lớp sẳt t gọi tán xạ khối ( bu lk scattering) cò n tán xạ v ùng c huyển tiếp gọi tán x ụ vùng chuyến tiếp (intcrfacial scattcring) Các nghiên u thực nghiệm c h o thấy ràng tán xạ phụ thuộc spin vòing c h u y ể n tiếp đ ó n g góp ch ính cho tỷ số G M R Tá n xạ v ùng c huy ển tiếp cà n g m n h tỷ số G M R cà ng lứn T uy nhiên trườ ng họrp dộ dày cù a iớp sát từ đu lớn lớn nhiều so với độ d y cù a lớp không từ thi phầ n đ ó n g góp c ủ a tán xạ khối đáng kể P h é p đ o đ i ệ n t r ĩ r c đ ề c ậ p đến hệ đ o từ điện trở, c h ú n g ta h ã y x e m lại m ộ t số p h n g p h p đo điện trở N h đ ã biết, đ iện Irở R c ù a m ộ t vật dẫn d iệ n c ó c h i ề u dài L, tiết diện n g a n g s có mối liên hệ với đ iện t rở suất f) q u a biể u thức: R =P ^ (21.6) 230 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐỀ c ô n g n g h ệ q u a n g t v NANO Điện trờ m ột vật dẫn đ ợ c xác địn h ih ông qua hiệu điện hai điện cực V c n g đ ộ d ò n g diện c h y q u a vật dẫn I theo định luật Oh m: R = V (21.7) ỉ Trên c sờ công thức người ta t h n g d ù n g p h n g pháp mũi dò hay mũi dò để đo điện trở suất c ù a vật dẫn a Đ o điện trở phương ph áp hai m ũi d ò P h n g p h p đo điện trở sử d ụ n g hai m ũi d ò m ộ t pliưưntỉ pháp đo tư n g đối xác, n giản dễ thự c T r o n g p h é p này, hai mũi d ị đ ợ c bố trí song song với n h au , ti ếp x ú c với bề mặl mẫ u (xein hình 21.4) Hai mũi d ị n ày đ ó n g vai trò hai đ i ệ n cực dẫn: d ò n g m ộ t chiều đ ợ c đ a vào m ộ t mũi dò đ ợ c lấy mũi d ò lại, hiệu điện hai điện cực đ ợ c đ o trực tiếp b ằ n g volt kế T giá trị c n g đ ộ d ò n g ện / hiệu đ i ệ n V đo dư ợc, c h ú n g ta c ó thể xác định đư ợ c điện trở c ù a vật dẫn s d ụ n g biểu lliức (21.7) C ầ n để ý r ằn g p h n g p h p này, giá trị ện trở thu đư ợc tổng củ a đ ó n g g óp sau: ( ) với Rc điện trở ký sinh gây tiếp xúc giữ a m ũi d ò với bề mặt mẫu, /?sp điện trở ký sinh bề m ặt m ẫu c ó d ị n g đ iệ n ch ạy qua Rs diện trở cù a mẫu Nếu giá trị điện trờ k ý sinh n h ỏ điện trờ đư ợc điện trờ cùa m ẫu khảo sát T u y nhiên điện trờ c ó thể nhỏ nhiều lần điện trở tiếp xúc đ ó việc x c định điện trở mẫu trờ nên khó khăn /ị Mỉu H ình 21.4 Sơ dồ nguyên lý phương pháp hai mũi dò Bài 21 Kháo sát hiệu ứng từ điện trở b ằ n s phương pháp bốn m ũi dò 231 b Đ o điện trớ phương pháp bốn m ủi dò P hư ưng ph áp đo điện trở bàng mũi dò phư n g pháp xác vả thuận tiện, ngày nav sừ dụn g phổ biến tro ng nghiên cứu Trong p h n g pháp người la bố trí mũi dị nằm th ẳng hàng nliau (xem liinh 21.5) đỏ hai mũi dị ngồi cù n g d ù n g để cấ p d òng diệii hai mũi dò d ù ng dể hiệu diện ihế P h n g p h áp có ưu dièin nhiều phươiie p h áp đo hai mũi dò cặp mũi dò thực hiộn chức m ộ t cách độc iập đỏ loại trừ đư ợc ảnh h n g thành phần ký sinh /?c jRsp lên tín hiệu lối ch o phép xác dịiih xác điện trở củ a mẫu T r ong thực tế mũi dị dược bố trí cách m ộ t kho ản g cá ch ,y đ n g thẳn g dọc theo chiều dài hình học cùa mẫu Các mùi dò thường đ ợ c làm b ằ n g kim loại m vàn g với đầu tiếp xúc với bề m ẫu có hinh ch ỏ m cầu n h m tănti tính tiếp xúc đ ả m bảo tiếp xúc ểm N guồn d ò n g chiều cung cấ p mộl nguồn phát dòn g đ a vào cặp mũi dò 1-4 ngồi C ặ p mũi dị 2-3 đư ợc nối m ột dồ n g hồ vạn năn g để đo hiệu điện lối T h e o định luật O hm , c h ú n g ta có thề xác định điện trớ cùa m n g thông qua biểu thức: (21.9) N guốn d ò n g Voit kè /ị ị í t/ n Mũi dị Glá mẫu Mầu Hình 21.5 Sơ đồ nguyèn Khi c n g đ ộ d ò n g điệ n / |4 lý phương pháp bốn mũi dị khơng đổi ( n h s d ụ n g n guồn d ò n g ) thi h iệu điện Ơ 23 ti lệ với điện trờ R 22 S ự thay đổi c ù a /?23 the o từ 232 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐÊ CÒNG NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO trườ ng xác định cách gián tiêp th ông qua p hép thay đổi c ủ a Ơ 22 v ề c phư n g pháp bốn rnũi dị có thổ đư ợc sừ d ụ n e dể đo vật liệu dạn g khối lẫn dạng m n g mỏng Tuy nhiên cầ n lưu ý ràng điện trở đo đư ợ c điện trở bề mặt cùa vật liệu H ệ đ o t đ iệ n trở b ằ n g p h n g p h p b ố n m ũ i d ị Hệ đo trinh bày hình 21.6 bao gồm phần sau: - Giá đ ỡ mẫu mũi dò, nguồn dòng đ n g hồ vạn nâng (Kcithley) - N a m ch âm điện tạo từ trường chiều với đầu đo từ trườnti ( Gau ss m cter ) s dụ ng biến tử Hall - Phần ghép nối hệ đo với m áy tính sừ dụng car d lE E E - 8 Kết ph ép đo đư ợ c hiển thị m àn hình dạn g đồ thị với trục tung U 23 (m V ) trục ho ành từ trưỊTig (T) T h n g qua c h ư n g trìiili phần m ề m , số liệu đo liru trữ dạng tệp số liệu r ^ Keithley —l / V Card IEEE-488 h “ Ị ^ h ■ tkrnấ M Nam châm đlèn Đấu đo tứ trường Hình 21.6 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ điện trở bàng phương pháp bốn mùi dò III PHẦN T H Ự C HÀNH Yêu cầu: đo đ n g cong lừ điện trở m n g m ỏ n g nhiệt dộ phòng, x lý số liệu thực nghiệm nhận xét két q u ả ihu Bài 21 Khảo sát hiệu úng từ điện trò phuong pháp bốn mũi dò 233 C h u ẩ n bị đ o • - Tliực thao tác bật ửiiết bị đo iheo hướng dẫn giáo viên - Chọn mẫu ghi lại ửiơng tin dạng mẫu, kích thước mẫu - Lắp mẫu đ o ghi lại thông tin: + Ngày, tháng, năm sử dụn g thiết bị, bắt đầu đo + v ề điều kiện thiết bị: dải từ trường đo (//miu), bước đo (bước từ irường \ ỉ ỉ ) s d ụ n g dải đo T iến h n h đ o - Do c n g đ ộ dò ng điện / |4 cung cấ p vào mũi dò 1-4 - Đo diện trở mẫu /?(0) chư a có tác dụng cùa t trường - Do điện trở cùa mẫu /Ỉ(H) tác dụ ng cùa từ trư ng hai trư ng hợp; từ tr n g song song vu n g góc với chiều d ò n g điện chạy qua mẫu Phân tích kết q u ả đ o - Bicu diễn lại d n g g Ơ 23 =f\{H) ổJi - T ính tốn vc d n ^ c o n e từ điên trờ — — = / , ( / / ) R{0) ' - Xác định độ lớn hiệư ứng từ điện Irở thu so sánh với số vật liệu k hác có hiệu ứng lừ điện Irờ T h ả o l u ậ n - Nhận xét độ lớn dáng đ n g cong — = / ( / / ) t h u giài thích - So sánh nhận xét đ n g cong thu hai trường hợp tươnu ứn g với hai h n g tác dụng c ủ a từ trường Bài 2 KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN I M Ụ C Đ ÍC H H n g dẫn sinh viên thực hàn h khảo sát tính chất sắt điện th ô n g qua phép đ o đ n g c ong điện trễ mẫu sắt điện II LÝ THUYẾT Vât liêu sắt đ iê• n • • a Hiện tượng điện Sắt điện tượng xảy số chất điện mơi có độ phân cực điện tự phát n g a y khơng có điện trư ng ngoài, trở nên h ỏ n g ứn g m n h tác dụng cùa điện trường M o m e n t lưỡng cực điện vật liệu sắt điện có có tương tác với nhau, nên tạo s ự khác biệt so với chất điện môi khác Độ phân cực điện tồn n g a y khơng có điện trường ngồi, tính tồn vật liệu, m o m e n t lưỡng cực diện t ổ n g c ộ n g có giá trị bàng m o m e n t lư ỡng cực điện định h n g hỗn loạn, nhiệt độ OK m o m e n t lưỡng cực điện song song với , tạo nên độ phân cực tự phát Tính chất sắt điện m ộ t thuộc tính V ật lý củ a vật liệu có phân cực điện tự phát T ín h chất sắt điện đư ợ c nhà khoa học Joseph Valasek phát lần vào năm 1920 m uối Rochelle Đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cự c vật liệu sắt điện vc ctor p h â n cực điện p , gọi độ phân cực điện Đ ộ phân cực điện tổ n g ve ctor m o m e n t lưỡng cự c cù a phân tử tro n g m ột n vị thể tích c ủ a khối điện môi 236 CÁC BẢI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐẼ CÒNG NGHỆ QUANG TỨ VÀ NANQ P = (22.1) V đó, p vector phân cực điện (đơn vị c / m ^ ), p m o m e n t lưỡng cực điện (dipole) đơn vị thề lích vcctor ( = , 2, ), V tổng thể tích V, Độ phân cực điện tỉ lệ với c n g độ điện trư na E : P = ( 2 ) đó, y độ m điện môi, eo = , 10 '^( C^.N ''m *) hàng số điện môi chân không Dưới tác dụng điện trường ngoài, độ phân cực điện vật liệu sắt điện thay đổi cà độ lớn hướng Tính chất đặc trưng cua vật liệu sắt điện thể bằn g đư ờng cong điện trễ mô tà phụ thuộc cù a độ phân cực vào c n g độ điện trường ngồi (xe m hình 22.1) T đ n g g điện trễ P-E, ch ú n g ta thu đư ợc th ô n g tin sau vật liệu: độ phân cực bão h ò a Ps, độ phân cực d Pr, lực kháng điện Ec (đơn vị v / m ) Với vật liệu sắt điện, độ phân cực điện khô n g ti iộ với c n g đ ộ điện trư ờng ngoài, độ m điện mơi X sổ điện môi e kh ông phải hằn g số m phụ thuộc vào giá trị cù a điện trư ờng Độ phân cực điện cùa vật liệu điện c h a có tác dụng điện trư ng bàng (điểm B) Khi tác d ụ n g vào m ột điện trư ờng với c n g độ tăng dần, độ phân cực điện c ủ a khối vật liệu tăng lên (đoạn BC, hinh 22.1) đến giá trị cực đại, gọi độ phân cực điện bão hòa Ps (đoạn CD ), lúc dù ch úng ta tiếp tục tăng điện trư ờng thi độ phân cực điện cũn g khô ng tăng thêm N ế u giảm dần c n g độ điện trư ờng thi độ phân cực điện cùa khối sắt điện giảm theo n h n g khôn g trùng với đ n g g ban đầu Khi c n g dộ diện trư ờng ngồi bàng độ phân cực không giảm giá trị m có giá trị định gọi độ phân cực d Pr (điềm E) Đe triệt tiêu độ phân cực d này, ch ú n g ta cần tăng cư ờng độ điện trường theo h n g ngược lại đến m ộ t giá trị điện trư ờng gọi điện trư ờng k h phân cực hay lực kh án g điện Eciđìểm F) Tiế p tục tă n g c n g đ ộ ện t r n g t h e o c h i ề u 237 Bài 22 K h ảo sát c c tính ch ấ t sắt điện n y ( đ o n F'G), đ ộ p h â n cự c đ iệ n đ ả o c h i ề u c ũ n g t ă n g d ầ n c h o đến giá trị Ps- G i ả m d ầ n c n g đ ộ đ iệ n t r n g t ă n g t h e o h n g n g ợ c lại, ta thu đ ợ c đ n g c o n g k h é p kín gọi đ n g c o n g đ i ệ n trễ • 50 ■300 -200 -1 0 100 200 3D0 Đ iện t r n g (kV/cm) Hình 22.1 Đường cong điện trễ cùa vật liệu săt điện b Cấu trúc dom ain ca vt st in ô liu ã ã l ỉiện tượn g p h ân cực điện tạo nhữ n g điện tích liên kết bề mặt cùa vật liệu sắt điện, bên vật liêu, điện lích trái dấu Iưừng cự c tự tru ng hồ lẫn nên khơng xuất điện tích liên kết Sự xuất diện tích liên kết bề mặt khếi vật liệu sinh diện trư ng ngư ực hướn g với m o m e n t lư ỡn g cực diện làm cản trở trình p h ân cực Diện trưcTng đư ợc gọi điện trư ng k h phân cực với năn g lượng: = - {ED d)dV (22,3) Iroim dó, D vcctor cảm ứng điện, d chiều dày V thể tích mẫu N ă n g lượng We cùa điện trư ng k h phân cự c phụ thuộc thể tích vùng k h n g gian điện trư ờng tồn V ù n g k h ô n g gian đ ợ c giới hạn bời m ộ t m ặ t kín m o m e n t lưỡng cụ c song s ong cù n g chiều Để n ă n g lượng đạt cự c tiểu, thề tích v ùng k h ô n g gian 238 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN Đằ CÒNG NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO kh ông đư ợ c iớn Mỗi vùng không gian n h đư ợ c eọi d om ain sắt điện Hai domain liền kề có vector độ phân cực khơng c ùng p h n g đư ợc ngăn cách bời vách dom ain V ác h d o m a i n ngăn cách hai dom ain liền kề m ang m ột lượng cấu trúc dom ain ciia vật liệu sắt điện (bao gồm domain vách d o m a i n ) đư ợ c xác định ch o tổng lượng bao gồm cà IV£ PVy^, cúa khối sắt điện cực tiểu V ác h dom ain ngăn cách hai d om ain iiền kề đư ợ c đặc t r n g bời góc hợp hai vector độ phân cực điện cù a hai d o m a in Ví dụ nhiệt độ Curie, độ p hân cực tự phát phân bố dọc theo hư ởn g tương đ n g < 100> (nếu vật liệu có cấu trúc tứ giác) h n g tương đ n g < 1 1> (nếu vật liệu có cấu trúc thoi) T heo h n g tư n g đưưiig < 0 > cùa cấu trúc tứ giác chi hình thành hai loại vách d o m a in vách 180° vách 90° (xe m hình 22.2) T h e o hư ớn g tư n g đ n g cúa cấu trúc thoi hình thành hai loại vách d om ain 71° 109° Vùng vách đômen sắt điện 90° Vùng vách đômen sắt điện 90° Hình 22.2 Vách domain 90° 180° vật liệu sát điện Dưới tác dụng cùa điện trư ờng E, vách d o m a i n bị dịch chuy ển cho n h ũ n g d o m a i n có độ phân cực điện gần với chiều cùa điện trư ờng đư ợc m rộng Với điện trư ờng đù lớn, ve ctor phân cự c điện đư ợ c đảo chiều Q u trình dịch chu yển vách d o m a i n không thuận nghịch nên điện trư n g giảm 0, cá c vách d om ain Bài 22 Khảo sát tính chất sắt điên 239 khơng dịch vị trí ban đầu tồn độ phân cực d vật liệu sắt diện (xem hinh 22.3) Hình 22.3 Quá trinh dịch chuyển vách domain vật liệu sắt điện c Vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite T r o n g sổ vật liệu có tính sắt điện áp điện, oxit có cấu trúc pcr ovs kite ch iếm số lượng lớn thu hút đ ợ c nhiều quan tâm nghiên u củ a nhà khoa học giới Perovskite tôn gọi c h u n g củ a vật liệu có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc cù a C a T i , với cô n g thức c ấ u tạo chu ng AB, A, B ion d n g có bán kính khác nhau, thơng thư ờng bán kính ion d n g A lớn so với ion d n g B c ấ u trúc cùa perovskite biến thể cấu trúc lập phư n g với ion d n g A nằm đinh cùa hình lập phươn g, có tâm ion d n g B lon d n g B đồng thời cũ ng tâm bát diện tạo ion âm lon O^' n ằ m trung tâm m ặt cùa ô đơn vị (xem hinh 22.4) c ấ u trúc tinh thể c ó thể thay đổi từ lập p h n g san g d n g khác n h hệ trực giao, trực thoi ion A, B bị thay nguyên tố khác, Tù y thuộc nguyên tố B chất mà cỏ họ vật liệu khác nhau, họ nianganitc B = Mn, họ titanate B = T\ hay họ cobaltite B = Co C ò n A th n g nguy ên tố n h Bi, Ba, Pb,, M ột sổ vật liệu sắt điện điển hình BaTiO}, Pb(Zr, Ti) , Dưới tác d ụ n g cù a số yếu tố bên n h điện trư ờng ú n g suất, tinh thể sắt điện bị biến dạng, ví dụ ch uyển từ cấu trúc tinh thể lập p h n g sang cấu trúc tứ diện (x e m hình 22.5) Các ion tinh thể bị dịch chuyển tâm cùa ion âm (các ion ^ ) ion d n g (A B) khơng cịn trù ng Kết tro ng tinh thể 240 CÁC BẢI THỰC HÀNH CHUYÊN ĐỀ c ố n g n g h ệ q u a n g t v NANO xuất m o m c n t lưởng cực điện (dipolc) h n g dọc theo trục c Irên hình 22 5b o Ỉỉỉỉỉ A • ĩo n Đ o Io» \y Hình 22.4 cấu trúc tinh thề cùa họ perovskite ABO^ a b Hình 22.5 Sự hình thành dipole điện cấu trúc perovskite vật liệu chuyển từ cấu trúc ỉặp phưưng (a) sang tứ diện (b) P h ép đ o đ iệ n trễ d Đ o đ ộ phân cực điện Người ta đo độ phân cực điện cù a vật liệu sắt diện dự a m ạch S a w y e r - T ow er n h m ỏ tà hinh 22.6 T r o n g m ạch điộn mẫu vật liệu sắt điện đư ợc coi n h lụ điện, th n g có giá irị Cv nhỏ nhiều so với giá trị m ột tụ điện chuẩn C r để đ ả m bảo điện đặt vào m ạch Vs phân bố chù yếu giừa hai cực cù a mẫu đo Giá sử có mộl lượng điện tích Q phân bố bề mặt với diện tích s c ủ a mẫu, tụ nối tiếp nên điện Vr đặt vào tụ điện chuẩn Cfị là: 241 Bài 2 Khảo sát c c tính chất sắt điện Q DS (22.4) c ~ c với D = p + £()£ đ ộ dịch chuyển Đối với vật liệu sắt điện độ phân cực p lớn nhiều so với phần đ ó n g góp Eo£ nên biểu thức biểu diễn thành; V c (22.5) s R el» fei> :e C a p a citoi' P e r t o ^ c t n c Hình 22.6 Mạch Savvyer - Tower để đo độ phân cực điện N h t h ô n g qua việc đo giá trị điện áp Vu, người la đo dư ợ c đ ộ phân cự c điện p cù a vật liệu sắt diện h Hệ đ o đư ờn g cong điện trễ Trên h ì n h 2 ảnh c h ụ p c ù a hệ đ o đ n g c o n g điện trễ R a dia nt 1’r ccisio n LC iO đ ặ t P h ị n g thí n g h i ệ m C ô n g n g h ệ m ic ro nan o ( T r n g Dại h ọ c C ô n g n g h ệ, Đ H Q G H N ) C c p hần c h ín h c ù a hệ bao gồm : - lìộ p h ậ n ện tử Precision LC phần c a o áp Precision High V oltag c Intcrlacc (xem hình 22.8): gồm m ạch điện t điều khiến xứ lý, ghép nối với khuế ch đại cao áp HVA - Hệ đ ầ u d ị (probc station) kính hiển vi q u a n g học; d ù n g để đo trư ng h ợ p m ẫ u dạng màng 242 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYỀN Đầ CỒNG NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO - Máy tính phần m ềm Vision: cho phép diều khiển hệ đo, ihục hiẹn trình đo mẫu cách tự động, thu nhộn x lý số liệu bàng m áy tính Hình 22.7 Thiết bị đo đường cong điện trễ Radiant Precision LX" 10 0 R A D I A N T T E C M N O U O O IẼ S INC P reă sio n High Voỉtage ỉnterface —^ tôQHVOlTAOi CMớôUK> â â High VoUage ndcator illunựnates when High Voltage is Present and Applied to the Sample Povver Indícatur lllumiiiates when Swit ch is " O n " Hỉnh 22.8 Phần cao áp hệ đo III PHẦN THỰC HÀNH Yêu cầu: đo đường cong điện trễ mẫu sắt điện dạng khối màng xác định thông số đặc trung c cùa vật liệu Bài 22 K h ảo s t c c tính c h ấ t s ắ t đ i ệ n I— - T 243 — I I C h u ẩn bi đ o - Thực thao tác bậl Ihiếl bị đo theo hướng dẫn giáo vicn - C h ọ n m ẫu đo ghi lại ihơng tin dạng m ẫu kích thước củ a mẫu - Lắp m ẫ u đo ghi lại thơriíĩ tin: + Ng ày, tháng, năm sử dụng thiết bị, bắt đầu đo + v ề ều kiện thiết bị: dải điện áp đo bư c đo (bước điện trư ng AK) sử dụng trình đo T iến h n h đ o - Đo đ n g g điện trề - Đo tiếp đ n g cong từ trễ Phân tíc h kết q u ả đ o t h ả o luận - Xác định thông số đặc trưng (độ phân cực điện bão hòa Psy độ phân cực điện d P/í, lực kháng điện Ec) từ kết đo đư ờng cong điện trễ - Nh ận x ét giá trị độ lớn cùa ihôn g số đặc Irưng cù a vật liệu So sánh với m ộ t số vật liệu sắt điện khác mh XUấT Sỏr>fflỌC ỌUÕ'c GIRl Hỉ^ cối Hai Bà Trưnig - Hà Nội •Diẽn thoai: BiẽảChé bản: (0 4) 39 9 6 6 : ciính:(04ì 3973S Tổng B iê n tâp: r ) 9 9997)715011 F: (0 9 16 Hàng C h ị•u t r h h i ệ■ m iá n đ ố c ■ T ổ n g b i p: x iu â t b íả n : T S P H Ạ M T H lẸ ỊíỊíỊ Ị Ị T R  M 'hu tráct 2hiệm nội ơii H ộ i đ n iịiệ m t h u g iá o t r ìn h T r n g Đ i) (J ô n g n g h ệ - Đ H Q G H Ỉ Ỉ Í H H ^ ^ N ỉgờ r.hậi 'Jt: P G S \^ LÊ T S 3Y ỄN VĂN vũ P H Ư Ơ N G ìn^ỘD N G rà T H Ủ Y ;/ ! 'íả i S Ỷ 1/(>IG '^nà hàỵ n i: H O ^ À U M ầ I n a m NGC ÍA tềi THÍt HÀNH CHƯYÍĐCỒN6 N6WÉ OUAlNB ĩ i r r y r r y VÀ NANO ^ sc: th-3^ĐH2013 n 0) Oỉcn.^^ổ 16 X 24cm Tổng cục Hậu cấn S íX L ấ íb â r ‘ 6 - 013/C X O : 103/ĐHQ*GHN, n g y QựâcỊrn :uà't số: 12 \ ->]/QĐ - N X.BĐ H Q 'G H N n o t g v i rộ? lưu chiểu qu\l im 2013 :1 2 2 ,2 /0 /2 ... 39 Mỉ Phần thực h n h 42 Câu hỏl chuẩn b i 43 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN Đằ CÒN G NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO Bài T H Ự C H À N H BIẾN Đ IỆ U PCM VÀ M Ả H O Á MANCHESTER... Hình 6.2 Các dạng quang sợi khác 54 CÁC BÀI THỰC HÀNH CHUYÊN OỀ CÔN G NGHỆ QUANG TỬ VÀ NANO s 'Ề OM l t l 1.2 B i i õ r só iig u 1.6 1.7 ÍJ ầ 1.9 2.0 ÌẬ Ầ m ) Hình 6.3 Độ mát (tồn hao) quang học... số hoá tốc đ ộ 10 M b p s , Các tín hiệu đư ợc đo íại điểm đo khác củ a m ã hoá, thực hành biến diêu 50 CÁC BẢI THỰC HÀNH CHUYÊN Đằ CÒNG NGHỆ QUANG TỬ VẢ NANO CÂU HỎI C H U Ẩ N BỊ Tại phải