Dòng dò là một đặc trưng quan trọng của tụ màng sắt điện. Dòng dò gây ra sự mất dần năng lượng trong tụ điện do màng sắt điện trong tụ là chất điện môi không hoàn hảo. Màng sắt điện không phải là chất cách điện hoàn toàn dẫn tới độ dẫn của màng khác không, cho phép dòng điện chạy qua làm giải phóng điện tích của tụ. Đây chính là một trong những nguyên nhân làm suy giảm tính chất sắt điện của màng. Dòng dò cũng có thể bắt nguồn từ sự chênh lệch công thoát tại lớp tiếp xúc giữa màng sắt điện và điện cực, bao gồm đóng góp của các lỗ trống (độ linh động của hạt tải và nồng độ hạt tải) đối với kiểu tiếp xúc Ohm hoặc độ cao rào thế trong kiểu tiếp xúc Schottky [167]. Ngoài ra, mật độ dòng dò (J) còn chịu ảnh hưởng của bề dày màng, trong đó giá trị J giảm khi độ dày của màng tăng [31]. Mật độ dòng dò trong tụ điện sắt điện có thể được chia thành hai vùng: vùng J-E tuyến tính trong dải điện trường thấp và vùng J-E phi tuyến trong dải điện trường cao.
Vùng điện trường thấp
Cấu trúc của màng BNKT20 có thể được xem như một chuỗi các hạt, biên hạt và lớp tiếp xúc màng – điện cực. Sự phụ thuộc điện trường của đặc trưng J-E
trong màng sắt điện là sự đáp ứng tổng hợp của ba thành phần này. Ở điện trường thấp, dòng điện được xác định bởi tính chất của lớp tiếp xúc màng – điện cực. Tương tự tụ điện PZT, tương tác Ohm tồn tại giữa điện cực và màng BNKT20 [104]. Do công thoát của màng BNKT20 tương đương với màng PZT (công thoát của PZT khoảng 3,5 eV) [105] nhỏ hơn nhiều so với giá trị 5,3 eV của điện cực kim loại Pt, nên tại lớp tiếp xúc các lỗ trống được bơm vào màng một cách tự nhiên. Tương tác này thuộc loại tương tác Ohm được đặc trưng bởi dòng Ohm (Joh):
( ) (5.3) Với E là điện trường ngoài, là năng lượng hoạt hóa của điện tử, kB là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ đo.
Hình 5.8(a) Mật độ dòng dò (J) theo điện trường (E) của màng sắt điện BNKT20, (b) đặc trưng J-E trong vùng điện trường thấp (kiểu tiếp xúc Ohm) của màng
BNKT20.
Hình 5.8 (a) minh họa mật độ dòng dò như một hàm phụ thuộc cường độ điện trường cho màng BNKT20 tương ứng với 10 lớp bề dày trong dải điện trường DC từ 0 đến -300 kV/cm và từ 0 đến 300 kV/cm. Nhìn chung, mật độ dòng dò của màng BNKT20 có hình dạng đặc trưng cho vật liệu sắt điện. Kết quả cho thấy, nhánh J-E bên trái tương ứng với điện trường âm cao hơn một chút so với nhánh bên phải trong dải điện trường dương. Trong thực tế, mật độ dòng dò ở hai nhánh đối nghịch nhau được giới hạn bởi hai mặt tiếp xúc giữa điện cực kim loại và màng BNKT20. Nhánh mật độ dòng dò dương được giới hạn bởi lớp tiếp xúc giữa điện cực dưới và màng (lớp tiếp xúc đáy), trong khi nhánh mật độ dòng dò âm được giới hạn bởi lớp tiếp xúc giữa điện cực trên và màng (lớp tiếp xúc đỉnh). Do đó lớp tiếp xúc đáy nổi trội hơn lớp tiếp xúc đỉnh về tính chất điện. Sự bất đối xứng trong đường đặc trưng J-E có thể liên quan đến sự khác biệt về công thoát giữa điện cực trên Au và điện cực dưới Pt.
Sự phụ thuộc của log(J) theo log(E) được biểu diễn trên hình 5.8 (b). Giản đồ cho thấy mật độ dòng dò tăng tuyến tính theo điện trường ngoài trong vùng điện trường thấp, dưới 40 kv/cm. Điều này chứng tỏ rằng định luật Ohm chiếm ưu thế trong vùng điện trường thấp bởi vì các hạt tải phát sinh do nhiệt năng chiếm ưu thế hơn các hạt tải được bơm vào.
Vùng điện trường cao
Khi điện trường ngoài tăng trên 40 kV/cm, mật độ dòng dò tăng không tuyến tính theo điện trường. Quy luật của dòng dò trong vùng này có thể được quyết định
bởi các cơ chế khác như hiệu ứng Schottky, hiệu ứng Poole-Frenkel, hiệu ứng Fowler-Nordheim cũng như dòng gây bởi điện tích không gian (SCLC). Nhìn chung, dòng dò trong màng sắt điện có thể được điều khiển bởi nhiều cơ chế khác nhau, như được chỉ ra trong bảng 5.5.
Bảng5.5 Các quá trình dẫn cơ bản trong chất điện môi [169].
Hiệu ứng Công thức Quy luật phụ thuộc vào điện trường và nhiệt độ Schottky 𝑥 ( ) 𝑥 [( ) √ ] lnJ ~ √ lnJ/T2 ~ Poole-Frenkel 𝑥 ( ) 𝑥 [( ) √ ] lnJ/E ~ √ lnJ ~ SCLC J ~ E 2 Fowler- Nordheim 𝑥 ( ) lnJ/E 2 ~
Dòng Schottky được tạo ra bởi hiệu ứng nhiệt-điện tử trong đó các điện tử dịch chuyển qua hàng rào thế gây bởi sự bẻ cong dải năng lượng tại tiếp xúc điện cực – chất sắt điện. Mật độ dòng gây bởi hiệu ứng Schottky được xác định thông qua biểu thức sau [169]:
𝑥 ( ) 𝑥 [(
) √ ] (5.4) Với A* là hằng số Richardson, T là nhiệt độ đo, kB là hằng số Boltzmann, q
và B tương ứng là điện tích và độ cao rào Schottky, E là điện trường ngoài, εo và εr
là hằng số điện môi chân không và hằng số điện môi của chất sắt điện.
Đối với hiệu ứng Poole-Frenkel, sự dẫn điện được điều khiển bởi cơ chế dẫn trong chất điện môi gây bởi việc các hạt tải nhảy từ vị trí bẫy này sang vị trí bẫy khác khi được đặt trong điện trường. Dòng PE được cho bởi công thức sau [169]:
𝑥 ( ) 𝑥 [(
) √ ] (5.5) Với B là hằng số và t là thế giam giữ.
Đối với dòng gây bởi điện tích không gian (SCLC), các hạt tải kiểu điện tích không gian tự do gây bởi sự giảm độ dẫn của chất điện môi. Mật độ hạt tải tạo ra
một gradient điện trường hạn chế mật độ dòng. Dòng SCLC phụ thuộc vào E theo biểu thức sau [150]:
(5.6) Với μ là độ linh động của hạt tải và d là bề dày của màng.
Một cơ chế dẫn khác trong tụ sắt điện có thể được xem như dòng xuyên ngầm từ điện cực vào lớp sắt điện theo công thức Fowler-Nordheim [150]:
𝑥 ( ) (5.7) Với A và B là hằng số phụ thuộc vào công thoát của kim loại làm điện cực.
Hình 5.9Đặc trưng J-E của màng BNKT20 tương ứng với 10 lớp bề dày được biểu diễn theo các hiệu ứng khác nhau: (a) Schottky, (b) Poole-Frenkel, (c) dòng gây bởi
điện tích không gian, (d) Fowler-Nordheim.
Hình 5.9 minh họa mật độ dòng dò của tụ BNKT20 tương ứng với 10 lớp bề dày trong dải điện trường cao (trên 30 kV/cm), trong đó hình (a) biểu diễn mối quan hệ giữa log(J) với E1/2, hình (b) biểu diễn mối quan hệ giữa log(J/E) với E1/2, hình (c) biểu diễn mối quan hệ giữa log(J) và log(E2), hình (d) là mối quan hệ giữa log(J/E2) và E-1. Kết quả phân tích cho thấy mối quan hệ giữa log(J) với E1/2 và log(J) với log(E2) tuyến tính hơn nhiều so với các quan hệ còn lại. Điều này chứng tỏ cơ chế dòng dò trong tụ sắt điện gây bởi hiệu ứng Schottky và/hoặc dòng điện tích không gian SCLC chiếm ưu thế nổi trội ở dải điện trường cao. Hay nói cách
khác, cơ chế dòng SCLC và cơ chế tiếp xúc Schottky có thể được sử dụng để giải thích quy luật của dòng dò trong màng sắt điện BNKT20.
Hình 5.10Mật đồ dòng dò của màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau theo điện trường: (a) tiếp xúc kiểu Ohm, (b) tiếp xúc kiểu Schottky.
Hình 5.11Mật đồ dòng dò của màng BNKT20 theo độ dày màng: (a) ở điện trường 40 kV/cm (vùng tiếp xúc kiểu Ohm), (b) ở điện trường 100 kV/cm (vùng Schottky).
Sự phụ thuộc mật độ dòng dò theo điện trường ngoài của màng BNKT20 tương ứng với các độ dày khác nhau được biểu diễn trên hình 5.10. Khi được đặt trong điện trường dương, kết quả phép đo J-E cho thấy mật độ dòng dò có xu hướng giảm dần tương ứng với sự tăng của độ dày màng. Ví dụ, màng BNKT20 tương ứng với 10 lớp bề dày có mật độ dòng dò là 2,6x10-4
(A/cm2) ở điện trường 50 kV/cm nhỏ hơn các giá trị 3,4x10-4
và 12,4x10-4 (A/cm2) của màng 8 lớp và 4 lớp tương ứng. Như được thể hiện trong hình 5.10, mật độ dòng dò tuân theo quy luật Ohm (J~E) trong dải điện trường thấp (dưới 40 kV/cm) và ở điện trường cao hơn J có dạng tuyến tính với E1/2 theo mô hình Schottky. Các giá trị mật độ dòng dò J ở điện trường 40 kV/cm (vùng Ohm) và 100 kV/cm (vùng Shottky) được biểu diễn theo độ dày màng trên hình 5.11. Kết quả phân tích cho thấy, mật độ dòng dò của màng BNKT20 trong cả hai vùng đều giảm mạnh tương ứng với sự tăng của bề dày. Mật
độ dòng dò giảm tương ứng với sự tăng bề dày màng có thể bắt nguồn từ tỷ lệ độ dày của lớp điện tích không gian tại mặt tiếp xúc điện cực/chất sắt điện và độ dày của màng sắt điện giảm. Điều này góp phần làm hạn chế ảnh hưởng của đế lên độ dẫn của màng sắt điện.