Mô hình khảo sát và kết quả phân bố phân cực của khuyết tật do lệch tường miền phân cực 180o (180o DW) ở các vị trí 1, 2, 3, 4 được mô tả trên hình 4.12.
Hình 4.12. Ảnh hưởng của sai lệch 180o DW đến xoáy phân cực đơn: (a) Mô hình khuyết tật sai lệch 180o DW; (b) đến (e) phân bố phân cực của các vị trí 180o DW: 1; 2; 3 và 4,
tương ứng. (a) -10-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20c 3c 20a 3c 3a 180o DW 3a -P +P x z (b) 180o DW ở vị trí 1 (c) 180o DW ở vị trí 2 -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 1 x z -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (d) 180o DW ở vị trí 3 -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (e) 180o DW ở vị trí 4 2 1
` 89
Kết quả cho thấy, xoáy phân cực đơn có thể bị thu hẹp và hình thành thêm các xoáy mới tùy thuộc vào vị trí sai lệch của 180o DW. Các sai lệch ở vị trí 1 và 2, tâm xoáy phân cực đơn bị lệch về phía có miền phân cực 180o ít hơn, hình 4.12.(b), (c). Sai lệch ở vị trí số 3 (nghĩa là tăng 30% miền 180o+P), phân bố phân cực được chia làm hai vùng: vùng 1 là một xoáy đơn với các dòng xoáy đối xứng (7x7); Vùng 2 là các dòng xoáy xen kẽ theo chu kỳ 3x3 (dòng phân cực), hình 4.12.(d). Tương tự, khi 180o DW sai lệch ở vị trí số 4 (tăng 40% miền 180o+P) gồm: vùng 1 là một xoáy đơn 6x6 ô đơn vị và vùng 2 là các dòng xoáy, hình 4.12.(e). Bản chất của hiện tượng này là do mất cân bằng về số lượng dòng phân cực trên mỗi miền phân cực 180o ban đầu. Tuy nhiên, xoáy phân cực đơn vẫn được hình thành từ cặp miền phân cực 180o ngược chiều ban đầu. Phần dư của miền phân cực 180o có thể hình thành các dòng xoáy phân cực xen kẽ.
Tương tự, khi 180o DW ở các vị trí -1, -2, -3, -4 kết quả cho tương ứng với các vị trí 1, 2, 3, 4, do tính chất đối xứng. Vì vậy, để xoáy phân cực đơn ổn định thì cần phải đảm bảo tính đối xứng của cặp miền phân cực 180o ban đầu.
4.4 Kết luận
Trong chương này, sự phân bố các phân cực thành phần trong quá trình hình thành xoáy và các ảnh hưởng của biến dạng, khuyết tật (vết nứt, lệch tường miền phân cực 180o) đến xoáy phân cực đơn trong sợi nano PbTiO3 đã được nghiên cứu. Các kết quả có thể tóm tắt như sau:
- Sự hình thành xoáy phân cực đơn trong sợi nano PbTiO3 được cho là từ các miền phân cực 180o và 90o xen kẽ nhau. Quy luật phân bố của các véc tơ phân cực thành phần trong xoáy đơn cũng cho thấy phù hợp với các tài liệu đã công bố và đều giải thích được trên cơ sở lý thuyết về xoáy phân cực;
- Dưới biến dạng đơn trục theo phương Oz, hình dạng xoáy phân cực đơn hầu như không đổi, tuy nhiên độ lớn của các phân cực thành phần tăng khi chịu kéo và giảm khi chịu nén. Dưới biến dạng nén ≥ -10%, xoáy phân cực đơn bị phá vỡ;
- Xoáy phân cực đơn bị ảnh hưởng không lớn khi vết nứt ở tâm theo phương z. Khi kích thước vết nứt lên đến 50% chiều dài 180o DW, xoáy gần như không thay đổi. Trường hợp vết nứt trên cạnh biên tại vị trí 180o DW theo phương z (không đối xứng), xoáy phân cực bị thu hẹp vềphần có vách miền liên tục còn lại. Trường hợp vết nứt ở tâm theo phương x với kích thước bằng 50% chiều dài mẫu (10a/20a), vết nứt trên cạnh biên tại vị trí 180o DW theo phương z đối xứng với kích thước bằng 50% tổng chiều dài mẫu (10c/20c) và vết nứt ở cạnh biên theo phương x không đối xứng với kích thước bằng 25% chiều dài mẫu (5a/20a), đều xuất hiện thêm các xoáy phân cực. Trường hợp vết nứt ở cạnh bên đối xứng theo phương x, khi kích thước vết nứt bằng 20% chiều dài mẫu (4a/20a), xoáy phân cực đơn bị triệt tiêu;
- Sai lệch vị trí của 180o DW làm xoáy phân cực đơn co lại nhưng có thể hình thành thêm các xoáy khác. Phần dư của miền 180o càng nhiều thì các dòng xoáy phân cực xen kẽ càng lớn.
` 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong luận án này, bằng phương pháp mô phỏng nguyên tử sử dụng mô hình vỏ - lõi để nghiên cứu, phân tích các tính chất cơ lý đối với vật liệu sắt điện PbTiO3 ở kích thước khối và kích thước nano mét. Trong đó, các hàm thế năng tương tác giữa các nguyên tử được xác định bằng phương pháp thử và làm cho đúng (fitting) dựa trên các thuộc tính cơ học từ kết quả của tính toán nguyên lý đầu. Phương pháp mô phỏng nguyên tử sử dụng mô hình vỏ - lõi cho phép mô hình nghiên cứu ở kích thước thực (hàng chục nghìn nguyên tử) với nhiệt độ thay đổi (> 0 K), thời gian tính toán nhanh, cấu hình thiết bị không đòi hỏi quá cao và phù hợp với các tính toán về tính chất sắt điện của vật liệu PbTiO3. Hoàn thành các nghiên cứu trong luận án, tác giả có thể kết luận về vật liệu này như sau:
1. Đã xây dựng được bộ thông số A, ρ, C, k2, k4 của các hàm thế năng vỏ - lõi cho vật liệu PbTiO3 bằng phương pháp mô phỏng đảm bảo độ tin cậy để sử dụng khảo sát các yếu tố biến dạng cơ học, nhiệt, điện trường ảnh hưởng đến tính phân cực và đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện PbTiO3;
2. Đã xây dựng và hoàn thiện đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện PbTiO3 cho thấy chiều của phân cực hưởng ứng theo chiều của điện trường, độ lớn của phân cực tăng khi điện trường tăng và ngược lại, mang tính đối xứng. Tuy nhiên, phân cực rất nhạy khi điện trường tăng gần ngưỡng điện trường (trường điện kháng - Ec) và phân cực đổi chiều khi điện trường đạt giá trị 0,115 eV/Å, tại đây phân cực đạt giá trị bão hòa, Ps= 101,21 C/cm2 và khi ngắt điện trường (E = 0) độ phân cực tồn tại với giá trị, Pr = 86,8 C/cm2.
3. Nhiệt độ tăng làm đường cong điện trễ của PbTiO3 bị thu hẹp và suy biến thành một đường cong đơn ở nhiệt độ chuyển pha (Tc = 605 K).
Nhiệt độ tăng làm giảm trường điện kháng Ec giúp giảm mức điện năng tiêu thụ nhưng đồng thời độ phân cực dư Pr ảnh hưởng đến độ nhạy của thiết bị. Khi nhiệt độ đạt khoảng 605 K pha sắt điện chuyển sang pha thuận điện (P = 0).
Sự chuyển pha có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn Tckhi có thêm ảnh hưởng của biến biến dạng nén đơn trục theo phương z và sự phân cực cũng có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn Tc khi chịu biến dạng kéo đơn trục theo phương z;
4. Dưới tác động biến dạng tính phân cực và đường cong điện trễ của vật liệu thay đổi khác nhau đối với từng loại biến dạng: dưới biến dạng nén đơn trục theo phương z (zz) vừa làm đường cong điện trễ co lại vừa làm tăng ứng suất σzz. Ngược lại, dưới biến dạng nén đồng thời theo phương x và y (xx = yy) làm mở rộng đường cong điện trễ nhưng làm giảm ứng suất σzz. Biến dạng cắt theo phương x, y (xy) hầu như không ảnh hưởng nhiều đến đường cong điện trễ và ứng suất σzz. Biến dạng đồng thời thời theo phương x và y (xx = yy) ảnh hưởng đến độ phân cực dư Pr và trường điện kháng Ec là lớn nhất;
5. Khi kích thước vật liệu PbTiO3 thu nhỏ đến cỡ vài chục nano mét (< 100 nano), xuất hiện các xoáy phân cực đối xứng và ngược chiều nhau. Độ phân cực bị triệt tiêu trong trường hợp này;
` 91
6. Đã xây dựng được quy trình tạo xoáy phân cực đơn trong sợi nano, hạt nano từ cặp miền phân cực 180o ngược chiều nhau. Quá trình điều khiển xoáy phân cực đơn thực hiện bằng điện trường ngoài cũng được hoàn thiện. Việc ứng dụng xoáy phân cực đơn vào việc lưu trữ dữ liệu giúp giảm kích kích thước thiết bị và tăng dung lượng cho bộ nhớ FRAM là một giải pháp có tính khả thi cao;
7. Dưới biến dạng theo phương z (zz), độ lớn phân cực thành phần trong xoáy phân cực đơn tăng khi chịu kéo và giảm khi chịu nén. Đặc biệt, dưới biến dạng nén ≥ -10%, xoáy phân cực đơn bị triệt tiêu.
Vết nứt xuất hiện ở các vị trí khác nhau đều làm biến dạng xoáy phân cực đơn (thu nhỏ xoáy) và xuất hiện thêm các dòng xoáy khác, thậm chí xuất hiện thêm các xoáy phân cực khi kích thước vết nứt phát triển đủ lớn gây gián đoạn miền phân cực định hướng ban đầu. Đặc biệt, vết nứt ở cạnh bên đối xứng theo phương x, vết nứt có thể làm xoáy phân cực đơn bị triệt tiêu.
Sai lệch vị trí của 180o DW làm xoáy phân cực đơn co lại nhưng có thể hình thành thêm các xoáy khác. Phần dư của miền phân cực 180o ban đầu càng nhiều thì các dòng xoáy phân cực xen kẽ càng lớn.
Trong luận án, tác giả đã đề xuất một phương pháp mới dựa trên xoáy phân cực đơn để lưu trữ một bít dữ liệu trong sợi nano sắt điện hoặc hạt nano sắt điện PbTiO3. Cụ thể, xoáy phân cực theo chiều kim đồng hồ được quy ước là bít dữ liệu 0 và ngược chiều được quy ước là bít dữ liệu 1. Với kiểu lưu trữ dữ liệu mới, kích thước vật lý của ô nhớ FRAM có thể bị thu nhỏ đáng kể khi thay thế màng sắt điện trong FRAM truyền thống. Khi đó số lượng ô nhớ trên cùng một đơn vị diện tích có thể tăng hàng trăm lần, do đó kỳ vọng dung lượng bộ nhớ sẽ tăng đáng kể trong thế hệ FRAM tiếp theo. Quy trình thiết lập xoáy phân cực đơn trong sợi nano, hạt nano đã được thực hiện thành công bằng phương pháp mô phỏng nguyên tử sử dụng mô hình vỏ - lõi. Việc điều khiển chiều của xoáy phân cực được thực hiện bằng điện trường ngoài cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn là hoàn toàn khả thi. Trong quá trình tạo xoáy phân cực đơn trong sợi PbTiO3 các yếu tố có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng xoáy phân cực như biến dạng, khuyết tật hình học (vết nứt) và sai lệch vị trí 180o DW cũng đã được khảo sát, phân tích và đánh giá.
Ứng dụng xoáy phân cực đơn vào quá trình đọc và ghi dữ liệu giúp tăng hiệu suất làm việc, hạn chế tối đa tình trạng làm việc bất ổn định, giải quyết trở ngại khi giảm kích thước đồng thời tăng khả năng lưu trữ của bộ nhớ, ... Do vật liệu có những tính năng nổi trội, có thể áp dụng được vào thực tiễn sản xuất nên cần có thêm các nghiên cứu tiếp cận một cách chi tiết. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu về vật liệu như:
- Thực nghiệm việc xây dựng mô hình, tạo và điều khiển xoáy phân cực đơn; - Thực nghiệm các ảnh hưởng của biến dạng, nhiệt, khuyết tật, điện trường đến xoáy phân cực đơn.
` 92
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1].Trần Ngọc Giang, Trần Thế Quang, Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường, (2018), "Ảnh hưởng của kích thước lỗ đến độ lệch phân cực của vật liệu sắt điện PbTiO3 ở kích thước nano mét", Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Tập. 3(1), tr. 322-328.
[2].Trần Ngọc Giang, Trần Thế Quang, Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường, (2019), "Nghiên cứu sự hình thành xoáy phân cực của vật liệu PbTiO3 ở kích thước nanomet", Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc cơ học vật rắn lần thứ XIV, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, tr. 198-205.
[3].Trần Thế Quang, Trần Ngọc Giang, Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường (2019), "Khảo sát sự hình thành xoáy phân cực của vật liệu sắt điện ở kích thước nano mét, sử dụng mô hình core-shell", Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị cơ học kỹ thuật toàn quốc, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Tập 1, tr. 313-319.
[4].Do Van Truong, Tran The Quang, Nguyen Hoang Linh, Nguyen Van Hoi, Vuong Van Thanh (2020), "Strain effect on hysteresis loop of PbTiO3 bulk", Proceedings of the International Conference on Engineering Research and Applications, ICERA 2019, Springer Nature Switzerland AG, LNNS 104, pp. 679–685. SCOPUS.
[5].Do Van Truong, Ngoc Giang Tran, Vuong Van Thanh, Tran The Quang(2020), "Deterministic control of toroidal moment in ferroelectric nanostructures by direct electrical field", Mater. Res. Bull., Vol. 131, pp. 110981(6). ISI-Q1.
[6].Trần Thế Quang, Nguyễn Văn Hội, Nguyễn Hoàng Linh, Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường (2021), "Xác định hàm thế năng của mô hình vỏ - lõi cho vật liệu sắt điện PbTiO3 và ứng dụng trong tính toán độ phân cực", Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật., Vol. 31, Issue 2, tr. 72-78.
[7].Trần Thế Quang, Nguyễn Hoàng Linh, Nguyễn Văn Hội, Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường (2021), "Khảo sát ảnh hưởng của biến dạng và khuyết tật hình học đến xoáy phân cực đơn trong sợi nano PbTiO3", Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật., Vol. 31, Issue 2, tr. 108-114.
` 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Valasek (1921), "Piezo-Electric and Allied Phenomena in Rochelle Salt", Phys. Rev., vol.17, no.4, pp. 475–481.
[2] J. Valasek (1922), "Piezo-electric activity of Rochelle Salt under various conditions", Phys. Rev., vol.19, no.5, pp. 478–491.
[3] K. Wasa, Y. Haneda, T. Sato, H. Adachi, and K. Setsune (1998), "Crystal growth of epitaxially grown PbTiO3 thin films on miscut SrTiO3 substrate", Vacuum, vol.51, no.4, pp. 591–594.
[4] H. Nonomura, M. Nagata, H. Fujisawa, M. Shimizu, H. Niu, and K. Honda (2005), "Structural control of self-assembled PbTiO3 nanoislands fabricated by metalorganic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett., vol.86, no.16, pp. 1–3.
[5] H. Gu, Y. Hu, J. You, Z. Hu, Y. Yuan, and T. Zhang (2007), "Characterization of single-crystalline PbTiO3 nanowire growth via surfactant-free hydrothermal method", J. Appl. Phys., vol.101, no.2, p. 024319(7).
[6] W. S. Yun, J. J. Urban, Q. Gu, and H. Park (2002), "Ferroelectric Properties of Individual Barium Titanate Nanowires Investigated by Scanned Probe Microscopy", Nano Lett, vol.2, no.5, pp. 447–450.
[7] W. Wang, O. K. Varghese, M. Paulose, C. A. Grimes, Q. Wang, and E. C. Dickey (2004), "A study on the growth and structure of titania nanotubes", J. Mater. Res., vol.19, no.2, pp. 417–422.
[8] M. W. Chu et al. (2004), "Impact of misfit dislocation on the polarization instability of epitaxial nanostructured ferroelectric perovskites", Nat. Mater., vol.3, no.2, pp. 87–90.
[9] J. F. Scott and C. A. Paz De Araujo (1989), "Ferroelectric memories", Science (80-. )., vol.246, no.4936, pp. 1400–1405.
[10] L. E. Cross (1995), "Ferroelectric Materials for Electromechanical Transducer Applications", Jpn. J. Appl. Phys., vol.34, no.Part 1, No. 5B, pp. 2525–2532.
[11] S. Zhang, F. Li, X. Jiang, J. Kim, J. Luo, and X. Geng (2015), "Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3 ferroelectric crystals for electroacoustic transducers - A review", Prog. Mater. Sci., vol.68, pp. 1–66.
[12] P. P. Khirade, S. D. Birajdar, A. V Raut, and K. M. Jadhav (2016), "Multiferroic iron doped BaTiO3 nanoceramics synthesized by sol-gel auto combustion: Influence of iron on physical properties", Ceram. Int., pp. 1–11. [13] J. S. Murday (2002), "The Coming Revolution: Science and Technology of
Nanoscale Structures,", AMPTIAC Newsl., vol.6, no.1, pp. 5–10.
[14] M. Islam, S. C. Ur, and M. S. Yoon (2015), "Improved performance of porous LiFePO4/C as lithium battery cathode processed by high energy milling comparison with conventional ball milling", Curr. Appl. Phys., vol.15, no.4, pp. 541–546.
` 94
vol.7, no.2, pp. 26–31.
[16] T. Shimada, S. Tomoda, and T. Kitamura (2010), "First-principles study on ferroelectricity at PbTiO3 surface steps", J. Phys. Condens. Matter, vol.22, no.35, p. 355901(8).
[17] S. Prosandeev and L. Bellaiche (2007), "Influence of crystallographic steps on properties of ferroelectric ultrathin films: An ab initio study", Appl. Phys. Lett., vol.91, no.7, pp. 23–26.
[18] Q. Yang, J. X. Cao, Y. Ma, Y. C. Zhou, X. J. Lou, and J. Yang (2013), "Interface effect on the magnitude and stability of ferroelectric polarization in ultrathin PbTiO3 films from first-principles study", J. Appl. Phys., vol.114, no.3, pp. 1–6.
[19] B. K. Lai, I. Ponomareva, I. Kornev, L. Bellaiche, and G. Salamo (2007), "Thickness dependency of 180° stripe domains in ferroelectric ultrathin films: A first-principles-based study", Appl. Phys. Lett., vol.91, no.15, p. 152909(3). [20] I. Ponomareva, I. I. Naumov, and L. Bellaiche (2005), "Low-dimensional ferroelectrics under different electrical and mechanical boundary conditions: Atomistic simulations", Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., vol.72, no.21, p. 214118(5).
[21] Y. Su and J. N. Du (2009), "Existence conditions for single-vertex structure of polarization in ferroelectric nanoparticles", Appl. Phys. Lett., vol.95, no.1, pp. 20–23.
[22] Y. Su and J. N. Du (2010), "Effect of intrinsic surface stress on single-vertex structure of polarization in ferroelectric nanoparticles", Appl. Phys. Lett., vol.96, no.16, p. 192605(3).
[23] Y. Su, H. Chen, J. J. Li, A. K. Soh, and G. J. Weng (2011), "Effects of surface tension on the size-dependent ferroelectric characteristics of free-standing BaTiO3 nano-thin films", J. Appl. Phys., vol.110, no.8, p. 084108(6).