CHƢƠNG 1 VẬT LIỆU TRONG BỘ NHỚ SẮT ĐIỆN
1.2. Vật liệu sắt điện có cấu trúc perovskite
1.2.3. Tính chất sắt điện trong vật liệu có cấu trúc kiểu perovskite
Xuất phát từ quan điểm nhiệt động học, để giải thích sự hình thành các mơmen lƣỡng cực điện tự phát ngƣời ta cho rằng khi có sự dịch chuyển từ pha lập phƣơng thuận điện không phân cực sang pha sắt điện đều kèm theo sự chuyển pha cấu trúc sang đối xứng thấp hơn (nhƣ pha tứ giác) và ngƣợc lại. Sự thay đổi cấu trúc sang đối xứng thấp hơn làm cho kích thƣớc của khối bát diện BO6 đƣợc mở rộng ra làm cho các anion O-2 có thể dịch chuyển qua lại giữa hai tâm kém bền hơn trong ô cơ sở gây ra mômen lƣỡng cực điện tự phát.
Trên Hình 1.7 biểu diễn sự phụ thuộc của hàm năng lƣợng tự do G(P) của
các vật liệu sắt điện ở (a) dƣới nhiệt độ chuyển pha TC, (b) quanh nhiệt độ chuyển pha TC, và (c) trên nhiệt độ chuyển pha TC. Theo chiều giảm của nhiệt độ, Hình 1.7(c), thế đơn trên đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của năng lƣợng tự do theo độ phân cực, với duy nhất một điểm thế năng cực tiểu (tại P 0) tƣơng ứng với pha lập phƣơng thuận điện không phân cực ở nhiệt độ cao. Xung quanh điểm chuyển pha TC giữa pha sắt điện và pha lập phƣơng thuận điện khơng phân cực (Hình 1.7 (b)), đƣờng cong thế năng trở nên phẳng làm xuất hiện các biến đổi dị thƣờng theo nhiệt độ của các tính chất vật lý. Cuối cùng, do sự mở rộng của khối bát diện BO6 trong pha tứ giác ở dƣới nhiệt độ chuyển pha TC, năng lƣợng tự do của các cation ở
vị trí B nằm tại tâm đạt giá trị cực đại tạo ra hai cực tiểu thế năng cho hai trạng thái phân cực ổn định (Hình 1.7 (a)) [125].
16
Hình 1.7 (d) mơ tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ T của một vật liệu sắt điện. Có thể thấy, ở gần TC do đƣờng cong năng lƣợng tự do gần nhƣ phẳng tính dị thƣờng của hằng số điện mơi xuất hiện một cách rõ rệt, đây là hệ quả của trạng thái phân cực rất lớn.
Hình 1.7. Sự phụ thuộc của hàm năng lượng tự do G(P, T) đối với vật liệu sắt điện
ở (a) dưới TC, (b) quanh TC, (c) trên TC, (d) hồi đáp điện môi theo nhiệt độ[125].
Trên cơ sở các biểu thức 1.5 và 1.11, độ cảm điện môi khi T < TC đƣợc xác định nhƣ sau: C T) 4(TC T T C 1 (1.12)
Trên Hình 1.8 là sự phụ thuộc của hằng số điện môi tƣơng đối ε, độ phân cực tự phát PS và 1/ε theo nhiệt độ. Sự phụ thuộc mạnh của vào nhiệt độ ở gần TC
trong quá trình giảm nhiệt độ (đỉnh sắc nhọn) chứng minh rằng tồn tại sự chuyển
G G G P P P T (K) TC
17
pha từ thuận điện không phân cực sang sắt điện. Khi nhiệt độ T > TC, vật liệu ở trạng thái thuận điện, hàm (T) tuân theo định luật Curie - Weiss nhƣ sau:
0 C T T C 1 (1.13)
với CC phản ánh bản chất chuyển pha sắt điện của vật liệu là hằng số Curie, một tham số hình thức T0 thu đƣợc bằng phép ngoại suy từ đƣờng 1/ε ở nhiệt độ chuyển pha TC là nhiệt độ Curie - Weiss. Sự chuyển pha từ trạng thái thuận điện không phân cực sang trạng thái sắt điện thƣờng là chuyển pha loại một nếu T0 TC và là loại hai nếu TC ≡ T0 (khi đó của vật liệu là vơ cùng lớn).
Hình 1.8. Hằng số điện môi và phân cực tự phát là hàm của nhiệt độ [34].
Độ phân cực tự phát của các vật liệu sắt điện phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ ở vùng lân cận nhiệt độ chuyển pha TC, nó đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ đạt đến
nhiệt độ Curie (TC). Ở trên nhiệt độ TC hồn tồn khơng có độ phân cực dƣ. Điều này sẽ đƣợc giải thích trong mục 1.1.4 về cấu trúc đômen sắt điện.