BNKT20
Họ đường cong điện trễ (P-E) của màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau được đo ở nhiệt độ phòng và được minh họa trên hình 5.4. Nhìn chung, tất cả các mẫu màng đều cho đường cong điện trễ có dạng đặc trưng thường được quan sát trong các chất sắt điện. Tuy nhiên, ở điện trường cao, đường cong điện trễ của các mẫu trở nên mất đối xứng. Đối với mẫu màng tương ứng với 4 lớp bề dày, đường cong điện trễ bắt đầu biến dạng ở điện thế 3,8 V ở 5,6 V cho mẫu 6 lớp, 9 V cho mẫu 8 lớp và 10 lớp. Sự méo dạng của đường cong điện trễ trong màng BNKT20 ở điện trường cao được chúng tôi cho là bắt nguồn tự sự hiện diện của pha trung gian. Pha trung gian là nguyên nhân dẫn tới mật độ dòng dò trong tụ sắt điện có giá trị lớn góp phần làm thay đổi hình dạng của đường cong điện trễ như được quan sát. Dựa trên kết quả đo đường cong điện trễ, chúng tôi đã tính toán các giá trị độ phân cực dư (Pr, , ) và trường điện kháng (Ec, , , Etx = - ) của màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau và tổng hợp kết quả trên các bảng 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 và 5.5.
Bảng 5.1 Kết quả đo tính chất sắt điện của màng BNKT20-4L ở các điện trường khác nhau. U (V) 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 E (kV/cm) 150 160 170 180 190 200 (μC/cm2) 2,02 2,69 3,21 5,01 7,39 11,50 (μC/cm2) 2,25 2,71 2,93 4,89 4,97 7,79 Pr (μC/cm2) 2,13 2,70 3,07 4,95 6,18 9,65 (kV/cm) 34,87 39,71 39,71 53,01 56,64 69,74 (kV/cm) 30,13 42,03 52,91 84,86 126,48 168,30 Ec (kV/cm) 32,50 40,87 46,31 68,93 91,56 119,02 Etx(kV/cm) 2,37 1,16 6,60 15,92 34,92 49,28
Bảng 5.2 Kết quả đo tính chất sắt điện của màng BNKT20-6L ở các điện trường khác nhau.
U (V) 3,0 3,4 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6
E (kV/cm) 100,0 113,3 133,3 146,7 160,0 173,3 186,7
(μC/cm2) 0,81 1,05 1,40 2,08 2,80 3,59 6,80
Pr (μC/cm2) 0,96 1,00 1,55 2,14 2,78 3,35 5,69 (kV/cm) 14,62 14,62 24,52 30,23 34,30 38,81 60,69 (kV/cm) 11,98 15,83 21,66 30,45 37,71 45,30 71,24 Ec (kV/cm) 13,30 15,23 23,09 30,34 36,01 42,05 65,96
Etx (kV/cm) 1,32 0,61 1,43 0,11 1,71 3,24 5,28
Bảng 5.3 Kết quả đo tính chất sắt điện của màng BNKT20-8L ở các điện trường khác nhau. U (V) 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 E (kV/cm) 75,0 100,0 125,0 150,0 175,0 200,0 225,0 (μC/cm2) 1,24 3,15 6,26 8,30 13,01 17,85 30,65 (μC/cm2) 1,28 3,23 5,65 6,74 9,37 12,95 25,67 Pr (μC/cm2) 1,26 3,19 5,95 7,52 11,19 15,40 28,16 (kV/cm) 8,69 18,14 28,15 29,79 36,94 48,81 80,15 (kV/cm) 9,24 17,15 33,20 40,35 62,89 85,75 149,63 Ec (kV/cm) 8,96 17,65 30,67 35,07 49,91 67,28 114,89 Etx(kV/cm) 0,28 0,49 2,53 5,28 12,97 18,47 34,74
Bảng 5.4 Kết quả đo tính chất sắt điện của màng BNKT20-10L ở các điện trường khác nhau. U (V) 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 E (kV/cm) 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 (μC/cm2) 1,10 1,85 3,06 4,82 6,98 11,89 34,44 (μC/cm2) 1,09 2,27 3,74 5,47 7,17 8,42 39,70 Pr (μC/cm2 ) 1,10 2,06 3,40 5,15 7,08 10,15 37,07 (kV/cm) 7,26 13,91 19,95 27,82 33,96 37,09 105,01 (kV/cm) 6,65 10,88 17,64 26,10 36,78 65,41 137,56 Ec (kV/cm) 6,95 12,40 18,80 26,96 35,37 51,25 121,29 Etx(kV/cm) 0,30 1,51 1,16 0,86 1,41 14,16 16,28
Bảng 5.5 Kết quả đo tính chất sắt điện của màng BNKT20-12L ở các điện trường khác nhau.
U (V) 3 6 9 12 15 18 21
(μC/cm2) 0,58 2,81 6,85 9,60 12,64 16,85 28,15 (μC/cm2) 0,21 2,98 6,38 9,77 13,46 18,90 34,06 Pr (μC/cm2) 0,40 2,90 6,61 9,68 13,05 17,88 31,10 (kV/cm) 4,07 17,43 32,70 40,02 48,19 61,53 103,27 (kV/cm) 3,45 10,11 24,10 25,39 40,02 41,31 55,29 Ec (kV/cm) 3,76 13,77 28,40 32,70 44,11 51,42 79,28 Etx(kV/cm) 0,31 3,66 4,30 7,32 4,09 10,11 23,99
Hình 5.4Họ đường cong điện trễ (P-E) của màng sắt điện BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau: (a) 4 lớp, (b) 6 lớp, (c) 8 lớp, (d) 10 lớp và (e) 12 lớp.
Hình 5.5 minh họa sự phụ thuộc của độ phân cực dư Pr (a) và trường điện kháng Ec (b) của màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau theo điện trường. Kết quả phân tích cho thấy khi điện trường cực đại tăng dưới 200 kV/cm, độ phân cực dư của các mẫu đều tăng đều. Với mẫu BNKT20-4L, Pr tăng từ 2,13 đến 6,18 μC/cm2 khi cường độ điện trường tăng từ 150 đến 190 kV/cm. Xu hướng tương tự cũng được quan sát ở trường điện kháng. Khi điện trường đặt vào mẫu tăng, trường điện kháng ở tất cả các mẫu đều có xu hướng tăng.
Hình 5.5 Sự phụ thuộc của độ phân cực dư Pr (a) và trường điện kháng Ec (b) của màng BNKT20 với các độ dày khác nhau theo điện trường.
Hình 5.6 (a) minh họa đường cong điện trễ của màng BNKT20 tương ứng với các các độ dày khác nhau của màng, được đo với tần số 1 kHz và điện trường cực đại là ± 150 kV/cm. Kết quả cho thấy, khi độ dày của màng thay đổi thì hình dạng của đường cong điện trễ cũng thay đổi mạnh. Cụ thể, với các màng hơn tương ứng với 4 lớp và 6 lớp bề dày, đường cong điện trễ có hình dạng mảnh hơn và bị nghiêng nhiều hơn so với màng tương ứng với 10 lớp và 12 lớp bề dày. Khi bề dày của màng tăng, độ nghiêng của đường cong điện trễ giảm đồng thời đường cong điện trễ trở nên vuông hơn. Sự nghiêng của đường cong điện trễ có thể là do sự hiện diện của lớp điện môi xuất hiện phía trên của chất sắt điện [173], [144]. Lớp điện môi này ngăn cách các điện tích biên gây bởi sự phân cực với các điện tích bù trên điện cực. Điện trường khử phân cực do đó sẽ không được bù hoàn toàn ngay cả khi điện cực trên và điện cực dưới ngắn mạch. Điện trường khử phân cực Ed gây bởi sự hiện diện của lớp điện môi được cho bởi công thức Ed = - Pd/εdt, trong đó d và εd
tương ứng là độ dày và hằng số điện môi của lớp điện môi, P và t là độ phân cực và đồ dày của lớp sắt điện [173]. Người ta cho rằng khi d << t, điện trường toàn phần
Ef qua chất sắt điện được biểu diễn theo công thức sau [173], [144], [106]:
Với E là điện trường đặt vào. Độ nghiêng của đường cong điện trễ được định nghĩa là độ dốc của đường cong tại Ec, có thể được xác định từ (5.1) như sau:
(
) (
) (5.2)
Hình 5.6 (a) Đường cong điện trễ (P-E) của màng BNKT20 với các độ dày khác nhau được đo với điện trường cực đại là ± 150 kV/cm và tần số 1 kHz, (b) sự phụ
thuộc của độ phân cực dư Pr và trường điện kháng EC theo độ dày của màng.
Đối với chất sắt điện có đường cong điện trễ dạng hình vuông, (∂Ef /∂P)Ec
bằng không, [hay (∂P/∂Ef )Ec∞], độ dốc của đường cong điện trễ đo được là d/εd t, khi đó đường cong điện trễ sẽ bị nghiêng đi khi tỷ số d/t giảm. Điều đó có nghĩa là màng càng mỏng thì đường cong điện trễ của nó càng bị nghiêng. Và độ nghiêng của đường cong điện trễ có thể coi là dấu hiệu sự hiện diện của lớp hằng số điện môi thấp trong chuỗi sắt điện [173].
Ảnh hưởng của bề dày lên tính chất sắt điện của màng BNKT20 còn được thể hiện qua sự phụ thuộc của độ phân cực dư vào bề dày của màng. Hình 5.6 (b) biểu diễn sự phụ thuộc độ phân cực dư của màng BNKT20 ở điện trường cực đại 160 kV/cm theo độ dày. Kết quả cho thấy khi độ dày của màng tăng, độ phân cực dư Pr bị thay đổi đáng kể. Ở các màng có độ dày mỏng tương ứng với màng 4 lớp và 6 lớp, độ phân cực dư có giá trị nhỏ và tăng chậm từ 2,37 đến 3,23 μC/cm2
. Khi bề dày của màng tăng, độ phân cực dư tăng mạnh lên giá trị 7,24 μC/cm2
ở 10 lớp bề dày, sau đó tăng chậm đến 8,41 μC/cm2 ở 12 lớp bề dày.
Ngoài ra, khi quan sát kỹ ta nhận thấy họ đường cong điện trễ của màng BNKT20 bị lệch sang phía bên phải theo trục điện trường. Sự dịch chuyển này được gọi hiện tượng ghim. Điều này được thể hiện rõ qua sự chênh lệch giữa và và được biểu diễn qua giá trị Etx = | - |. Sự phụ thuộc của điện trường Etx theo điện trường cực đại cho các màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau được minh họa trên hình 5.7 (a). Kết quả phân tích cho thấy, Etx của tất cả các mẫu
luôn khác 0 và có xu hướng tăng theo điện điện trường cực đại đặt vào mẫu. Điều này khẳng định tính chất sắt điện của màng BNKT20 chịu tác động của hiệu ứng ghim. Cơ chế của hiện tượng này được cho là do sự chênh lệch năng lượng tự do giữa điện cực kim loại và vật liệu sắt điện tại lớp tiếp xúc [197]. Hầu hết các chất sắt điện kiểu perovskite đều có thể được xem là chất bán dẫn với các hạt tải tự do có độ linh động thấp [197]. Khi chất bán dẫn được đặt tiếp xúc với điện cực kim loại, rào thế Schotky với vùng điện tích không gian hay miền nghèo (vùng suy giảm các hạt tải điện) và sự bẻ cong dải năng lượng được hình thành trong chất bán dẫn tại lớp tiếp xúc. Lớp nghèo là do công thoát của bán dẫn và điện cực khác nhau, hay là do nồng độ trạng thái bề mặt cao [101], [45], [172], dẫn tới hình thành điện trường tiếp xúc (build-in electric field) Etx, hình 5.7 (b) [159]. Trong màng với điện cực kim loại trên và dưới, lớp nghèo sẽ hình thành tại hai lớp tiếp xúc. Bề dày của lớp nghèo trong vật liệu khối được ước tính cỡ một phần nhỏ của micro mét và do đó có thể so sánh với bề dày của màng.
Hình 5.7 (a) Sự phụ thuộc của điện trường lớp tiếp xúc Etx trong màng BNKT20 với các độ dày khác nhau theo điện trường cực đại,(b) rào thế Schotky và điện trường tiếp xúc cho màng sắt điện bị làm nghèo một phần (t > 2w) và màng sắt điện bị làm
nghèo hoàn toàn (t <2w) do tiếp xúc với điện cực kim loại [101].
Mô hình cấu tạo vách domain được hỗ trợ bởi miền nghèo được dựa trên ý tưởng trường tiếp xúc (build-in field) liên quan với lớp nghèo phụ thuộc vào bề dày màng [172], hình 5.7 (b). Nếu bề bày t của chất sắt điện lớn hơn hai lần bề dày của lớp nghèo (t > 2w) thì giá trị của trường tiếp xúc tại điện cực là Etx = (eNw/ε), với N
là nồng độ hạt tải tự do, e là điện tích của chúng, và ε là hằng số điện môi của chất sắt điện. Với màng rất mỏng (dưới 1 μm) bề dày t của màng có thể nhỏ hơn hai lần lớp nghèo (t < 2w), và toàn bộ màng trở thành lớp nghèo. Kết quả thực nghiệm cho
thấy điều này xảy ra nhiều trong thực thế [196]. Trong trường hợp này, trường tiếp xúc tại vị trí tiếp xúc điện cực được tính theo biểu thức Etx = eNt/2ε.
Giả sử điện trường cần thiết cho việc đảo vách domain là Ec cao hơn điện trường tiếp xúc Etx, ta thấy rằng màng bắt đầu đảo vách domain khi điện trường ngoài Eex tăng đến một giá trị nào đó. Giá trị điện trường ngoài thỏa mãn điều kiện này chính là EC và ta có Eex + Etx = Ecn suy ra rằng EC = Ecn − Etx. Đối với màng dày hơn, chúng không bị làm nghèo hoàn toàn, do đó trường khử không phụ thuộc vào bề dày màng Etx = (eNw/ε). Đối với màng bị làm nghèo hoàn toàn, trường khử phụ thuộc vào bề dày màng EC = Ecn - eNt/2ε. Do đó về mặt lý thuyết EC giảm ứng với sự tăng bề dày màng nếu là màng rất mỏng và đạt giá trị ổn định đối với màng dày và do đó khá phù hợp với kết quả thực nghiệm được minh họa trên hình 5.5 (b).