Trong cấu trúc tinh thể sắt điện, sự phân cực xảy ra bởi sự dịch chuyển của các điện tích. Vì vậy, các véc tơ phân cực không được sắp xếp đồng nhất theo cùng một hướng. Cụ thể, đối với cấu trúc PbTiO3: Véc tơ phân cực tự phát (PS) trong PbTiO3
nằm dọc theo trục zvà sự phân cực xảy ra thường được mô tả là sự dịch chuyển của các ion O và Ti so với Pb. Trong pha sắt điện, tinh thể PbTiO3 ở cấu trúc tự nhiên có các thông số mạng aT và cT, hình 1.5(b) với aT < aC < cT, trong đó, aC và aT là các thông số mạng tinh thể của ô đơn vị tương ứng ở cấu trúc lập phương (cubic) - pha thuận điện và cấu trúc tứ diện (tetragonal) - pha sắt điện, hình 1.5 [32].
Hình 1.5. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể đơn vị của PbTiO3: (a) Cấu trúc lập phương (Cubic) - pha thuận điện; (b) Cấu trúc tứ diện (Tetragonal) - pha sắt điện.
Trong cấu trúc đa tinh thể sắt điện, các véc tơ phân cực tự phát có thể được sắp xếp với xác suất theo các hướng bất kỳ. Những vùng có véc tơ phân cực được định hướng giống nhau được gọi là miền phân cực (domain). Vùng ngăn cách giữa hai miền phân cực được gọi là tường miền phân cực [33], hình 1.6. Những tường miền phân cực phân cách giữa hai miền phân cực có véc tơ phân cực định hướng ngược chiều nhau được gọi là tường miền phân cực 180o (180o domain wall - 180o DW), hình 1.6(a) và khi chúng phân cách giữa hai miền phân cực có véc tơ phân cực vuông góc với nhau được gọi là tường miền phân cực 90o(90o domain wall - 90o DW), hình 1.6(b).
Hình 1.6. Mô hình minh họa miền phân cực (domain) và tường miền phân cực (DW): (a) Tường miền phân cực 180o (180oDW); (b) Tường miền phân cực 90o (90oDW).
O Ti Pb PS aT cT aT ac ac ac (a) (b) z x y Miền phân cực (domain) (b) Tường miền phân cực (DW) 90o DW 180o DW x z o (a)
Sự hình thành tường miền phân cực làm giảm tối đa năng lượng tĩnh điện của trường khử phân cực (trường khử cực) và năng lượng đàn hồi liên quan đến tác động cơ học lên vật liệu sắt điện trong quá trình chuyển từ pha thuận điện sang pha sắt điện [34], [35]. Sự hình thành véc tơ phân cực tự phát tại nhiệt độ chuyển pha làm xuất hiện các điện tích bề mặt [32].Điện tích này sinh ra điện trường, được gọi là điện trường khử cực EC (trường khử cực - trường điện kháng), ngược chiều với Ps,hình 1.7(a). Trường khử cực được hình thành khi có sự phân bố không đồng nhất của véc tơ phân cực tự phát và có thể rất mạnh (MV/m). Vì vậy, trạng thái miền phân cực đơn của vật liệu sắt điện khó có thể tồn tại [29], [34]. Hoặc khi hình thành các miền phân cực với véc tơ phân cực được định hướng ngược chiều nhau (miền phân cực 180o - 180o domain) dẫn đến phân cực tổng bằng 0, hình 1.7(b).
Hình 1.7. Mô hình minh họa sự hình thành các miền phân cực 180o và tường miền phân cực 180o: (a) Phân bố điện tích bề mặt liên quan đến sự phân cực tự phát; (b) Sự hình
thành các miền phân cực 180o thuận nghịch.
Cấu trúc của miền phân cực phụ thuộc vào cấu trúc của tinh thể sắt điện. Trong đa tinh thể sắt điện, sự đa dạng của các miền phân cực và số loại tường miền phân cực phụ thuộc vào số lượng định hướng của mô men lưỡng cực khi sự phân cực tự phát xảy ra từ pha ban đầu. Các tường miền phân cực được xác định bởi các góc độ tương đối giữa trục phân cực của các vùng liền kề. Trong các tinh thể sắt điện ở trạng thái cấu trúc tứ diện các 180o DW và 90o DW hình thành từng cặp để giảm tối đa năng lượng khử cực hoặc năng lượng biến dạng, hình 1.8.
Hình 1.8. Mô hình tường miền phân cực 180o (180o DW)và 90o (90o DW) trong đa tinh thể sắt điện Ps Ec (a) (b) Miền phân cực 180o Tường miền phân cực180o 90o DW 180o DW
Nói chung, các tường miền phân cực có thể được coi là những khuyết tật trong cấu trúc đa tinh thể của vật liệu sắt điện. Và các tường miền phân cực có thể ảnh hưởng đến toàn bộ các tính chất của vật liệu sắt điện, sự xuất hiện của các tường miền phân cực ảnh hưởng đến độ phân cực điện.
Hình 1.8 cho thấy các sơ đồ của mô hình 90o DW, tại đó định hướng của các phân cực thành phần gặp nhau hoặc là đầu hoặc đuôi tới các tường miền phân cực. Định hướng này dẫn đến việc tích tụ các phân cực bị ràng buộc ở các tường miền phân cực phải được bù đắp bởi các khuyết tật hoặc sự chuyển dịch tự nhiên. Tuy nhiên, bằng cách tác dụng một điện trường ngoài theo chiều với một trong các hướng cực sẽ làm chuyển đổi các lưỡng cực, khi đó tinh thể có thể được thay đổi trạng thái từ đa miền phân cực thành đơn miền phân cực [36], hình 1.9.
Hình 1.9. Mô hình sự phân cực hóa dưới tác động của điện trường ngoài (E): (a) Phân bố phân cực dưới điện trường -E; (b) Phân bố phân cực dưới điện trường +E.