điện trường ngoài.
Như phân tích trong mục 3.2.2 và 3.2.3, sự hình thành của xoáy phân cực đơn trong sợi nano và hạt nano có nguồn gốc từ cấu trúc miền phân cực 180o ban đầu. Để thiết lập cấu trúc miền phân cực 180o trong thực tế, tác giả đề xuất sử dụng một cặp điện trường ngoài không đối xứng hình 3.7.
Quá trình hình thành và đảo chiều xoáy phân cực đơn bằng điện trường ngoài có thể được tóm tắt như sau: Cặp điện trường ngoài không đối xứng được tác dụng lên hạt nano (hoặc sợi nano) qua các điện cực, các véc tơ phân cực được hình thành dưới tác dụng của điện trường ngoài, một cặp miền phân cực 180o ngược chiều xuất hiện, hình 3.7.(a). Khoảng cách giữa các điện cực liền kề được thiết lập sao cho các điện cực được coi là cách điện hoàn toàn. Sau đó, khi ngắt điện trường ngoài, xoáy phân cực đơn được hình thành, có chiều ngược chiều kim đồng hồ, hình 3.7.(b) và được gán là giá trị trạng thái 1. Để đảo chiều xoáy phân cực, chúng ta chỉ đơn giản thay đổi chiều cực của cặp điện trường ngoài, hình 3.8.(c) và kết quả nhận được sau khi ngắt điện trường ngoài là xoáy phân cực đơn được hình thành, có chiều cùng chiều kim đồng hồ, hình 3.7.(d).
Việc tạo và điều khiển xoáy phân cực đơn bằng một cặp điện trường ngoài không đối xứng là khá đơn giản và hoàn toàn khả thi so với các phương pháp sử dụng điện trường xoáy [166], [167] hoặc điện trường đồng nhất [171], [172] hay phương pháp lực cơ học [94], [169].
Hình 3.7. Sự hình thành của xoáy phân cực đơn trong hạt nano PbTiO3 bởi cặp điện trường ngoài không đối xứng: (a) Mô hình thiết lập cặp miền phân cực 180o ngược chiều nhau; (b) Kết quả xoáy phân cực đơn ngược chiều kim đồng hồ; (c) Mô hình đảo chiều các
véc tơ phân cực trong cặp miền phân cực 180o; (d) Kết quả xoáy phân cực đơn theo chiều kim đồng hồ.
Sự hình thành miền phân cực trong hạt nano dưới tác động của cặp điện trường ngoài không đối xứng được mô tả trên hình 3.8. Một số điểm điển hình (từ A1 đến A12) và các miền phân cực tương ứng được chọn để minh họa. Ban đầu, tại điểm A1 biểu thị trạng thái xoáy đơn theo chiều kim đồng hồ được hình thành trong hạt nano. Ở giai đoạn đầu tiên (A1 → A2 → A3 → A4) của một chu kỳ, điện trường, E, tăng nhưng mô men hình xuyến, G [33], giảm. G giảm nhanh từ E = 0 đến E = 0,85 (eV/Å), và sau đó xấp xỉ bằng không. Sự giảm này là do quá trình đảo ngược của các véc tơ phân cực dưới tác dụng điện trường ngoài E và chiều của E. Tại điểm A4, các véc tơ phân cực được định hướng hoàn toàn theo chiều điện trường ngoài, lõi xoáy biến mất và do đó G bằng 0. Ở giai đoạn thứ hai (A4 → A5 → A6 → A7), điện trường bên ngoài được loại bỏ. G tăng mạnh từ điểm A4 đến điểm A5, và sau đó giảm nhẹ từ điểm A5 đến A7. Sự gia tăng của G tại điểm A5 được giải thích là do sự phân cực vẫn còn sau khi loại bỏ điện trường bên ngoài. Đáng chú ý, tại điểm A7, dòng xoáy phân cực đơn mới được hình thành, trong đó chiều của xoáy ngược với xoáy của điểm
Điện cực Điện cực Điện cực 14a 14a Điện cực 10c 10c 14a 10c 10c (a) (b) (d) (c) PbTiO3 14a Điện cực Điện z x y z x y
ban đầu (A1). Kết quả thu được cho thấy dòng xoáy phân cực đơn có thể hình thành và chuyển đổi trong hạt nano bằng cặp không đối xứng của điện trường ngoài. Ở hai giai đoạn cuối của (A7 → A8 → A9 → A10) và (A10 → A11 → A12 → A1), với cùng một quy trình như giai đoạn đầu tiên và giai đoạn thứ hai, đối xứng xoáy được chuyển (từ cấu trúc miền A7 sang cấu trúc miền A1) bằng cách thay đổi chiều tác dụng của cặp điện trường ngoài không đối xứng.
Với việc sử dụng xoáy phân cực đơn được cung cấp trong sợi nano hoặc hạt nano để lưu trữ dữ liệu, kích thước vật lý của một ô nhớ có thể giảm đáng kể so với việc sử dụng màng trong FRAM truyền thống. Với cùng kích thước vật lý, số lượng tế bào bộ nhớ của FRAM sử dụng sợi nano sắt hoặc hạt nano có thể tăng đáng kể so với việc sử dụng màng sắt điện (kích thước của màng trong tế bào FRAM thường khoảng 2000×2000×100 nm [2], trong khi ở đây, kích thước đề xuất của sợi nano và hạt nano lần lượt là khoảng 5,5×100×4,1 nm và 5,5×5,5×4,1 nm). Như vậy, kích thước mỗi ô nhớ giảm đi rất nhiều cũng như dung lượng bộ nhớ của FRAM dự kiến có thể tăng đáng kể trong các thế hệ tiếp theo.
Hình 3.8. Sự phát triển miền phân cực của hạt nano dưới tác động của cặp điện trường ngoài không đối xứng: (a) Mối quan hệ giữa mô men hình xuyến G và điện trường ngoài
E; (b) Cấu trúc miền phân cực tương ứng từ điểm A1 đến A12.
A7 A8 A9
A10 A11 A12
(b) A4 A5 A6 A1 A2 A3 A12 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 (a) E(eV/Å) G (eÅ2)
3.4 Kết luận
Trong chương này, tác giả đã trình bày các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước đến dòng phân cực và các kết quả xây dựng, điều khiển dòng xoáy phân cực đơn của vật liệu PbTiO3 ở kích thước nano mét, cụ thể:
- Khi chiều dày của màng sắt điện PbTiO3 dưới 100 nano mét, các dòng xoáy phân cực đối xứng và ngược chiều nhau xuất hiện. Các xoáy này phá vỡ định hướng của miền phân cực 180o tạo ra bởi điện trường ngoài tác dụng và làm triệt tiêu độ phân cực. Khi đó làm mất khả năng ứng dụng trong việc lưu trữ dữ liệu của FRAM;
- Với một cặp miền phân cực 180o ngược chiều nhau được thiết lập ban đầu: Đối với màng nano, một xoáy ở giữa và hai nửa xoáy hai bên ngược chiều nhau hình thành; Đối với sợi nano và hạt nano, duy nhất một xoáy phân cực đơn tồn tại;
- Chiều của xoáy phân cực đơn chỉ phụ thuộc vào chiều của cặp miền phân cực 180o được thiết lập ban đầu;
- Nghiên cứu hiện tại đề xuất một cách tiếp cận mới để hình thành và điều khiển xoáy phân cực đơn trong sợi nano hoặc hạt nano bằng điện trường trực tiếp. Việc giảm kích thước vật lý của ô nhớ dựa trên xoáy phân cực đơn làm cho dung lượng lưu trữ của FRAM trên một đơn vị diện tích tăng đáng kể. Những kết quả này là cơ sở định hướng cho sự phát triển trong tương lai của các thiết bị sắt điện nano nói chung và FRAM nói riêng.
Chương 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG VÀ KHUYẾT TẬT HÌNH HỌC ĐẾN XOÁY PHÂN CỰC ĐƠN
Cấu trúc xoáy phân cực đơn trong sợi nano hoặc hạt nano PbTiO3 hứa hẹn những ứng dụng đột phá trong FRAM [9], [161], một giải pháp quan trọng trong việc thu nhỏ kích thước và tăng dung lượng lưu trữ cho bộ nhớ. Tuy nhiên, ở kích thước nano, biến dạng cơ học, khuyết tật hình học, sai lệch tường miền phân cực là một trong những nguyên nhân làm giảm tuổi thọ cũng như độ tin cậy của thiết bị. Mặc dù có một số đáng kể các nghiên cứu về xoáy phân cực [22], [94], [167], [169], [174], nhưng các khảo sát liên quan đến ảnh hưởng của biến dạng cơ học, khuyết tật hình học (vết nứt) và sai lệch vị trí tường miền phân cực (Domain wall - DW) đến xoáy phân cực đơn của sợi PbTiO3 vẫn chưa được quan tâm nhiều.
Để làm sáng tỏ các vấn đề trên, trong chương này, trọng tâm tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của biến dạng đơn trục (theo phương Oz), vết nứt, sai lệch vị trí của 180o DW đến xoáy phân cực đơn trong sợi PbTiO3. Cơ sở lý thuyết và những kết quả của các chương trước được kế thừa và phát triển trong chương này.