Vật liệu sắt điện ABO3 có những đặc tính như: hiệu ứng áp điện, hằng số điện môi cao, nhiệt điện và sắt điện nên đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện và thiết bị điện tử, bao gồm: bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không mất dữ liệu khi ngắt nguồn (FRAM) [9]; cảm biến (sensor) [10]; bộ chuyển đổi điện (transducer) [11]; tụ điện gốm [12]; bóng bán dẫn hiệu ứng điện trường [79], các ống nối [80] và các bộ chuyển đổi quang điện [81]. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm khảo sát hiện tượng chuyển đổi phân cực từ trạng thái này sang trạng thái khác dưới tác dụng của điện trường ngoài trong các loại vật liệu sắt điện [82], [83]. Ứng dụng phân cực tự phát thuận nghịch như một trạng thái lưu trữ dữ liệu của bộ nhớ là một trong những động lực mạnh mẽ ngay từ những ngày đầu tiên nghiên cứu về vật liệu sắt điện [84]. Những nghiên cứu cơ bản này là cơ sở cho các thiết bị điện tử áp dụng sự đảo ngược lặp đi lặp lại của phân cực tự phát như FRAM. Những linh kiện, bộ nhớ như vậy không đòi hỏi năng lượng để duy trì, dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ và các bít được ghi, đọc như trong trường điện cực. Một số vật liệu sắt điện khác, được dùng để chế tạo các bóng bán dẫn hiệu ứng trường sắt điện (FeFET),..., [85], các tính chất vật lý và ứng dụng tương ứng của chúng được mô tả tóm tắt trong bảng 1.1.
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một yếu tố có ảnh hưởng rất nhạy đến cấu trúc mạng tinh thể, dẫn đến có nhiều ứng dụng với các thuộc tính tương ứng của một số vật liệu sắt điện điển hình, được mô tả theo các vùng (A-F), hình 1.14. Cụ thể, phân cực tự phát giảm khi nhiệt độ tăng và triệt tiêu (P = 0) tại nhiệt độ chuyển pha, Tc. Vì vậy, tính sắt điện chỉ tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha (T < Tc) và mang tính thuận điện khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chuyển pha (T > Tc). Tuy nhiên, xung quanh vùng Tc, nhóm vật liệu sắt điện có hằng số điện môi cao có thể được dùng làm tụ điện (vùng A). Ở vùng nhiệt độ tương đối thấp (T << Tc), nhóm vật liệu có tính phân cực lớn được ứng dụng trong các bộ nhớ lưu trữ (vùng B). Sự suy giảm khá nhanh của sự phân cực tự phát khi nhiệt độ tăng trong phạm vị gần Tc, ở dải nhiệt độ này một số vật liệu được dùng trong bộ cảm biến nhiệt điện (vùng C). Tính chất áp điện trong pha sắt điện có thể dùng chế tạo linh kiện cho đầu dò áp điện (vùng D), còn tính áp điện trong pha thuận điện có thể được sử dụng cho các thiết bị bộ chuyển đổi điện (vùng E). Đối với các vật liệu có hằng số điên môi cao trong pha thuận điện cũng có thể được làm linh kiện cho các thiết bị quang điện (vùng F). Và vật liệu sắt điện làm việc như nhiệt điện trở (Positive temperature coefficient - PTC). Trong tất cả những khả năng ứng dụng khác nhau, tính chất sắt điện của vật liệu được sử dụng trực tiếp trong các bộ nhớ lưu trữ dữ liệu [86]–[88].
Bảng 1.1. Các tính chất vật lý và ứng dụng của một số vật liệu sắt điện (nguồn: [85])
Vật liệu Tính chất Ứng dụng
Al2O3, AIN, BeO Hằng số điện môi thấp; dẫn nhiệt cao Bao bì, chất nền
BaTiO3 Hằng số điện môi cao; hệ số điện áp cao Tụ điện
PZT, BTO, LiNO3 Hệ số áp điện cao Đầu dò áp điện
BaTiO3 Thay đổi điện trở theo nhiệt độ Điện trở nhiệt
ZnO Thay đổi điện trở suất theo điện trường Biến trở
PLZT Thay đổi lưỡng chiết quang theo điện trường Điện quang học
ZrO2 Độ dẫn ion Cảm biến khí
SnO2 Độ dẫn điện bề mặt Cảm biến khí
PZT Thay đổi phân cực theo nhiệt độ Hỏa điện
PbTiO3 Phân cự tự phát cao Bộ nhớ không biến đổi
Hình 1.14. Đồ thị minh họa sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số điện môi (ε), nghịch đảo hằng số điện môi (1/ε), phân cực tự phát (Ps) và ứng dụng của vật liệu sắt điện ở các phạm
vi nhiệt độ khác nhau được biểu thị từ A-F (nguồn: [89])