Mô hình khảo sát màng nano PbTiO3 với 10 ô đơn vị theo phương z, 14 ô đơn vị (chu kỳ xoáy phân cực) theo phương x, và 5 ô đơn vị theo phương y được sử dụng với hằng số mạng a = 3,878 Å và c = 4,069 Å (bảng 2.6). Điều kiện biên chu kỳ áp dụng cho các phương x, y và z. Chiều dày của lớp chân không được đặt là 6 lần hằng số mạng để tránh tương tác không mong muốn giữa các lớp vật liệu theo phương z
[170]. Mô hình được xây dựng gồm hai miền phân cực180o ngược chiều nhau theo phương z, kích thước mỗi miền phân cực là 7×10 ô đơn vị (x × z). Tương ứng, với miền phân cực 180o có chiều dương (+P) ở bên phải và miền phân cực 180o có chiều âm (-P) bên trái, khi đó một tường miền phân cực 180o (180o DW) được hình thành, hình 3.3.(a). Mô hình khảo sát màng nano PbTiO3 với 180o DW ban đầu được thiết lập và các kết quả phân bố phân cực thu được sau khi cân bằng minh họa trên hình 3.3.
Hình 3.3. Mô hình và kết quả phân bố phân cực màng nano PbTiO3: (a) Mô hình mặt cắt (x, z) màng nano với 180o DW thiết lập ban đầu; (b, c) Mô hình và kết quả xoáy phân cực có chiều ngược kim đồng hồ; (d, e) Mô hình và kết quả xoáy phân cực theo
chiều kim đồng hồ. (b) 180o DW z x -P +P (d) 180o DW z x +P -P (c) (e) z x y (a) z x 10c 3c 3c Chân không 14a 180o DW -P +P
Kết quả chỉ ra rằng, cấu trúc phân cực trong màng nano với các xoáy thuận chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ luân phiên được hình thành. Cụ thể, một xoáy tại tâm và hai nửa xoáy hai bên được tạo ra trong một chu kỳ phân cực, các xoáy liền kề có chiều xoáy ngược nhau, hình 3.3.(c). Mặt khác, khi đảo chiều véc tơ phân cực trong miền phân cực 180o ban đầu kết quả nhận được xoáy phân cực đảo chiều, hình 3.3.(e). Hình dạng các xoáy phân cực thu được tương tự như các minh chứng bằng phương pháp lý thuyết [96] và thực nghiệm [95]. Hơn nữa, bằng phương pháp nghiên cứu nguyên lý đầu, Shimada và các cộng sự [96] đã chứng minh rằng các xoáy phân cực dễ dàng hình thành từ các miền 180o ban đầu. Do đó, nghiên cứu hiện tại mang lại kết quả phù hợp so với kết quả thu được từ nghiên cứu lý thuyết [96] và thực nghiệm [95], [165], chứng tỏ rõ ràng độ tin cậy của mô hình. Xoáy phân cực hình thành trong màng nano do số lượng nguyên tử trên bề mặt chiếm tỉ lể lớn so với tổng số lượng nguyên tử. Các nguyên tử trên bề mặt bị mất liên kết gây ra ứng suất bề mặt lớn hình thành các trường khử cực [34], [35]. Bên cạnh đó, xuất hiện các điện tích bề mặt [48] sinh ra điện trường tạo nên các miền phân cực bất thường. Chúng có chiều ngược nhau và do ở hai miền phân cực được định hướng 180o ban đầu ngược chiều nhau
Như vậy, trong màng nano, tồn tại nhiều hơn một xoáy phân cực được hình thành trong mỗi chu kỳ, do đó việc kiểm soát đối với từng xoáy phân cực đơn là không thể. Với mong muốn tạo ra một xoáy đơn và điều khiển được chiều xoáy của nó, các khảo sát tiếp tục với mô hình dây nano và hạt nano.