Đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu sắt điện là tính chất phi tuyến trong mối quan hệ giữa phân cực (P) và điện trường ngoài (E). Dưới tác dụng của điện trường ngoài, sự đảo chiều của véc tơ phân cực xảy ra. Quá trình quay miền phân cực trong vật liệu sắt điện hình thành đường cong điện trễ, hình 1.11.
Cụ thể, hình 1.11 mô tả mối quan hệ giữa phân cực (P) và điện trường ngoài (E)
của vật liệu sắt điện ABO3. Ban đầu, tinh thể sắt điện ở trạng thái tự nhiên và cả khi có một điện trường ngoài có cường độ nhỏ tác dụng quan hệ giữa P và E là tuyến tính (đoạn OA), do điện trường này chưa đủ lớn làm chuyển hướng các miền phân cực không thuận với chiều điện trường (ban đầu các miền phân cực sắp xếp ngẫu nhiên và hỗn loạn). Giai đoạn này tinh thể ứng xử như một vật liệu điện môi bình thường và P được xác định theo công thức [36].
.E .χ ε P = 0 e
(μC/cm2) (1.4)
với ε0 và e là hằng số điện môi chân không và độ nhạy điện môi của vật liệu. Khi điện trường tăng, các miền phân cực có véc tơ không thuận sẽ bắt đầu hưởng ứng theo chiều điện trường, kéo theo sự tăng nhanh về mật độ điện tích bề mặt và P trong vùng này có tính phi tuyến mạnh (đoạn AB). Khi điện trường tăng đến một giá trị đủ lớn các mô men lưỡng cực điện trong tinh thể song song với nhau, tạo thành một miền phân cực 180o duy nhất [36], theo chiều điện trường tạo nên trạng thái bão hòa (điểm B) và đặc trưng sắt điện lại thể hiện tuyến tính (đoạn BC). Nếu E giảm, một số miền phân cực sẽ quay lại trạng thái ban đầu, dẫn đến P giảm đi (đoạn CBD) và nhưng khi
E giảm về 0 thì P lại khác không (điểm D), do đa số các miền phân cực vẫn giữ được hướng ban đầu. Để triệt tiêu Pr điện trường phải đảo chiều và đạt đến một giá trị nhất định (điểm K). Nếu tăng điện trường theo chiều ngược lại sẽ gây ra sự đảo chiều của lưỡng cực điện và sự phân cực tăng theo chiều ngược lại (đoạn KN) và khi cường độ
điện trường đủ lớn, lại có sự bão hòa mới theo chiều ngược lại (điểm N). Sau đó lại giảm E về 0 và đổi chiều một lần nữa để hoàn thành một chu trình (đoạn NMQC). Giá trị phân cực tại E = 0 (điểm D, M) gọi là độ phân cực dư, Pr. Cường độ của điện trường cần thiết để P = 0 được gọi là trường điện kháng, Ec (điểm K, Q). Giá trị phân cực tại Emax(điểm B, N) gọi là độ phân cực bão hòa, Ps.Do đó, mối quan hệ giữa P
và E được biểu thị bằng một chu trình điện trễ hay đường cong điện trễ (CDKNMQC).
Hình 1.11. Đường cong điện trễ (PE) của vật liệu sắt điện ABO3
Sự đổi chiều của các miền phân cực theo chiều điện trường phụ thuộc vào cấu trúc hay cách phân chia miền phân cực, sự ảnh hưởng sẽ là khác nhau ở mỗi vật liệu. Khi đặt vào điện trường có chiều ngược lại, cũng dẫn đến những hiệu ứng tương tự, tạo nên quá trình trễ.
Đường cong điện trễ (chu trình điện trễ) lý tưởng có tính đối xứng, + Ec= - Ecvà + Pr = - Pr. Trường điện kháng (Ec), độ phân cực dư (Pr), độ phân cực bão hòa (Ps) và hình dạng của đường cong điện trễ có thể chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố bao gồm chiều dày của màng, các khuyết tật, biến dạng cơ học, điều kiện chế tạo và nhiệt độ [37], [38]. Khả năng đổi chiều phân cực giữa hai trạng thái điện trường của vật liệu sắt điện được ứng dụng để lưu trữ dữ liệu trong FRAM.
Một số nghiên cứu đã cho thấy chiều của phân cực hưởng ứng theo chiều của điện trường [39]–[46]. A.P.Barranco và các cộng sự [40] đã chỉ ra rằng các miền phân cực vi mô định hướng dọc theo chiều của điện trường đặt vào sau đó các miền phân cực vĩ mô xuất hiện. I.Chilibon và cộng sự [42] đã cho biết sự thay đổi chiều phân cực do cấu trúc tinh thể bị biến dạng khi điện trường ngoài tác dụng. J.Y.Lee và các cộng sự [46] bằng phương pháp trường pha (phase - field) đã nghiên cứu ảnh hưởng của điện trường đến biến dạng và cấu trúc miền phân cực. Gần đây, Li Fei và các cộng sự [41] nghiên cứu tính sắt điện, tính áp điện dưới tác dụng của điện trường với tần số khác
+P Phân cực, P (C/cm2) -Pr -Ec +Ec Điện trường, E (eV/Å) O A B K C +Pr Emax N M PS D Q
nhau. Nhìn chung, các nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi chiều của phân cực, biến dạng hoặc tính chất áp điện của vật liệu khi điện trường tác dụng. Tuy nhiên, do phân cực phân bố không đồng đều và chứa các miền phân cực tự phát có định hướng khác nhau nên việc điều khiển độ phân cực với mức năng lượng tối ưu mà vẫn đảm bảo độ tin cậy của thiết bị thì ảnh hưởng của điện trường đến phân cực cần được khảo sát chi tiết hơn. Vì vậy, việc khảo sát ảnh hưởng của điện trường đến phân cực cũng như xây dựng hoàn thiện đường cong điện trễ được thực hiện trong luận án.