CHƢƠNG 1 VẬT LIỆU TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN
1.2. Vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite
1.2.5. Đƣờng điện trễ của vật liệu sắt điện
Khi tinh thể sắt điện đặt trong điện trƣờng ngồi, các đơmen phân cực cùng hƣớng với điện trƣờng ngồi có trạng thái năng lƣợng thấp hơn so với các đơmen có phân cực khơng cùng hƣớng với điện trƣờng ngồi. Nếu tăng điện trƣờng ngoài đến một giá trị trƣờng kháng điện EC, tất cả các đômen đều đƣợc cực tiểu hóa năng
22
lƣợng (định hƣớng theo chiều của điện trƣờng ngồi), sự phân cực khơng tăng nữa, và đạt đến giá trị bão hòa Psat. Khi giảm điện trƣờng ngoài về 0, các đômen vẫn phân cực cùng hƣớng nhƣ khi có điện trƣờng ngồi vì vậy vật liệu vẫn ở trạng thái phân cực và tồn tại một phân cực dƣ Pr. Nếu tiếp tục giảm điện trƣờng ngoài, phân cực sẽ quay theo chiều ngƣợc lại, tạo thành một đƣờng cong khép kín P(E) mô tả sự phụ thuộc điện trƣờng của phân cực gọi là đƣờng trễ sắt điện. Hình 1.11 là giản đồ năng lƣợng tự do của quá trình chuyển phân cực trong vật liệu sắt điện với thế năng kép.
Hình 1.11. Giản đồ năng lượng tự do của quá trình chuyển phân cực trong
vật liệu sắt điện với thế năng kép [125].
Hình 1.12 là đặc trƣng trễ sắt điện của một vật liệu sắt điện điển hình ở dƣới nhiệt độ chuyển pha TC. Ban đầu, khi điện trƣờng ngoài nhỏ sự phân cực cảm ứng theo hƣớng tác dụng của điện trƣờng ngoài, P tăng tuyến tính theo E (đoạn OA).
Tiếp tục tăng điện trƣờng cao hơn (đoạn AB), độ phân cực P bắt đầu thể hiện sự phụ thuộc phi tuyến vào điện trƣờng, do điện trƣờng đã đủ mạnh để làm các đômen
E = 0 G - Ps + Ps P P G - Ps + Ps - Ps + Ps G P - Ps + Ps G P - Ps + Ps G P G P - Ps + Ps E1 > 0 E2 > E1 Tăng E Áp đặt E Tăng E Áp đặt E Tắ t E Tắ t E -E2 < -E1 - E1 < 0 E = 0
23
quay. Nếu tiếp tục tăng E, phân cực sẽ đạt trạng thái bão hòa tƣơng ứng độ phân cực bão hòa PSat (đoạn BC), lúc này phần lớn các đômen sắt điện đã sắp xếp theo định hƣớng của điện trƣờng phân cực. Bằng cách ngoại suy tuyến tính đến trục phân cực tại điểm E, thì độ dài đoạn OE ứng với phân cực tự phát PS. Độ cảm điện trƣờng thông thƣờng của phân cực điện môi tƣơng ứng với độ dài đoạn thẳng từ PS đến PSat trên trục phân cực (đoạn EK).
Nếu giảm dần điện trƣờng ngồi về khơng, độ phân cực không giảm theo đƣờng ngƣợc lại CBAO mà sẽ giảm theo đƣờng CBD, độ dài đoạn OD ứng với phân cực dƣ Pr. Ta thấy, Pr ln nhỏ hơn PS bởi vì khi điện trƣờng giảm đến khơng, một số đơmen có thể hồi phục lại các vị trí ban đầu của chúng, vì vậy phân cực dƣ có thể khơng có sự đóng góp của các đơmen này. Đối với đa số các vật liệu sắt điện, phân cực tự phát rất lớn so với cảm ứng điện trƣờng thông thƣờng của phân cực điện môi cho nên trong các ứng dụng, thành phần này có thể bỏ qua.
Hình 1.12. Giản đồ của một đường trễ sắt điện điển hình [119].
Muốn độ phân cực trở về 0 (đoạn OR), cần có điện trƣờng theo hƣớng ngƣợc lại đủ lớn để triệt tiêu hoàn toàn phân cực dƣ trong vật liệu sắt điện, điện trƣờng đó đƣợc gọi là trƣờng kháng EC.
Trƣờng kháng EC của các vật liệu sắt điện phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: nhiệt độ, tần số đo, dạng sóng của điện trƣờng áp đặt. Các đơmen đã tồn tại trong
PP PS Pr P E PSat
24
vật liệu sắt điện trƣớc khi phân cực và sự dịch chuyển các vách đômen dẫn đến sự thay đổi phƣơng của phân cực. Năng lƣợng tối thiểu để đảo chiều các lƣỡng cực không ổn định trong một chu trình tác dụng điện trƣờng ngồi là ngun nhân gây ra sự trễ điện. Trong mỗi chu trình, năng lƣợng phân tán bên trong mẫu vật liệu dƣới dạng nhiệt chính bằng diện tích của đƣờng trễ biểu thị. Để bảo vệ mẫu, đƣờng trễ sắt điện thƣờng đƣợc đo với điện trƣờng xoay chiều có tần số thấp, khoảng 60 Hz hoặc nhỏ hơn.
Trong các vật liệu đơn tinh thể, phân cực đảo chiều khá đột ngột dẫn đến đƣờng trễ sắt điện có dạng hình vng. Trong hầu hết các gốm sắt điện (đa tinh thể), do sự sắp xếp ngẫu nhiên của các trục ô mạng trong các tinh thể không đồng nhất dẫn đến sự quay chậm của các lƣỡng cực theo chiều điện trƣờng, đƣờng điện trễ dạng bầu dục. Vì vậy, tính chất sắt điện trong vật đơn tinh thể thể hiện rõ ràng hơn so với tính chất sắt điện của các liệu đa tinh thể.