Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai nhà vật lý người Pháp là Jacques Curie và Pierre Curie [59]. Hiệu ứng này được hiểu là có sự thay đổi độ phân cực điện của vật liệu áp điện khi vật liệu bị biến dạng cơ học hoặc vật liệu sẽ bị biến dạng cơ học nếu chịu tác dụng của điện trường ngoài (làm thay đổi độ phân cực điện) (hình 1.5). Mối liên hệ giữa ứng suất tác dụng của ngoại lực với vec tơ phân cực điện thứ cấp được thể hiện thông qua công thức [68]:
𝑃𝑗 = ∑6 𝑑𝑗𝑘. 𝜎𝑘
𝑘=1
Trong đó: Pjlà độ lớn véc tơ phân cực điện (C/m2), σklà ứng suất tác dụng
(N/m2) và djk là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (C/N).
Ngược lại, nếu đặt vào vật liệu áp điện một điện trường có cường độ điện
trường là E thì vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng theo công thức:
𝜀𝑘 = ∑6 𝑑′𝑘𝑗. 𝐸𝑗
𝑗=1
(1.2)
Trong đó: εk là độ biến dạng tỷ đối của vật liệu, Ej là cường độ điện trường
tác dụng vào vật liệu (V/m) và d’kj là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực
(m/V).
Hình 1.5: Mô tả hiệu ứng áp điện: phân cực tự phát (a), phân cực khi chịu ứng suất nén (b), phân cực khi chịu ứng suất kéo (c)
Các vật liệu áp điện đã và đang được nghiên cứu rất đa dạng về chủng loại
và số lượng như: vật liệu dạng đơn tinh thể (thạch anh, LiTaO3, LiNbO3, PZN –
PT ...), vật liệu dạng gốm (Pb(ZrTi)O3 – PZT, PbTiO3 – PT ...), vật liệu polymer
(PVDF và copolymer, nylon ...), vật liệu màng mỏng (PZT, PT, ZnO và màng
AlN), vật liệu hỗn hợp – composite (hỗn hợp PZT – polymer 0 – 3, 2 – 2, 1 – 3)
(Hình 1.6).
Với lịch sử phát triển của mình, vật liệu áp điện đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn cuộc sống. Điển hình phải kể đến các ứng dụng về màng rung, vi cảm biến (gia tốc, sóng siêu âm ...), máy phát điện, MEMS, vi bơm, máy in ...[69,86]
Với các ưu điểm của mình thì vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 (PZT) đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Các ưu điểm nổi trội của vật liệu áp điện PZT bao gồm: hệ số áp điện lớn, điện dung cao (vì vậy ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh), độ bền cơ học cao và dễ gia công. Trong thời gian gần đây, vật liệu áp điện PZT đã và đang được thương mại hóa với nhiều chủng loại khác nhau và giá thành ngày càng hợp lý.
Hình 1.6: Hỗn hợp PZT – polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác nhau: (a) 0 – 3, (b) 2 – 2, (c) 1 - 3
Vật liệu áp điện về cơ bản là vật liệu dạng gốm và có cấu trúc dạng Perovskite. Các vật liệu có cấu trúc dạng Perovskite là vật liệu có cả tính chất sắt điện và áp điện. Các vật liệu này có số lượng rất lớn nên chúng đang được quan tâm nghiên cứu nhiều. Theo định nghĩa, vật liệu có cấu trúc Perovskite là các vật
liệu có cấu trúc tinh thể tương tự với cấu trúc của CaTiO3. Cấu tạo chung của vật
liệu này có dạng ABO3 (trong đó A và B là hai ion dương, A thường có bán kính
lớn hơn B) (hình 1.7).
Cấu trúc Perovskite là biến thể của hai cấu trúc lập phương với ion A nằm
ở 8 đỉnh, ion B nằm ở tâm. Ion B cũng đồng thời là tâm bát diện tạo bởi các ion
O-2. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác như hệ trực
giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thế bởi các nguyên tố khác. PZT được
hình thành do sự kết hợp của PbZrO3 (một chất phản sắt điện có cấu trúc tinh thể
trực thoi) và PbTiO3 (một chất sắt điện có cấu trúc Perovskite tứ giác). PZT có
cấu trúc tinh thể dạng Perovskite với các ion Ti4+ và Zr4+ đóng vai trò là ion B
Hiệu ứng áp điện xuất hiện ở vật liệu Perovskite có được là do sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể (hình 1.8). Khi có điện trường ngoài, các ion
Zr4+/Ti4+ và Pb2+ dịch chuyển theo phương điện trường và ngược lại thì ion O2-
bị dịch chuyển theo phương ngược với điện trường. Hiện tượng này làm thay đổi khoảng cách giữa các ion và dẫn đến sự biến dạng của vật liệu và được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Ngược lại, khi có tác động cơ học bên ngoài làm biến dạng vật liệu sẽ dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các ion và làm thay đổi mômen lưỡng cực và sự phân cực điện trong tinh thể. Tương ứng với điều này là sự xuất hiện một điện trường thứ cấp trong vật liệu và được gọi là hiện tượng áp điện thuận.
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể của vật liệu Perovskite
Hình 1.8: Sự dịch chuyển của các ion trong tinh thể Perovskite khi có điện trường ngoài
Từ đầu thế kỷ 21 đến nay, các vật liệu có cấu trúc Perovskite (BaSrO3, PbTiO3, Pb(ZnxTi1-x)O3) đã được nhiều nhà khoa học hàng đầu thế giới quan tâm nghiên cứu do chúng có hiệu ứng áp điện và độ phân cực tự phát lớn. Không chỉ dừng lại ở các nghiên cứu cơ bản, vật liệu áp điện PZT còn được tập trung nghiên cứu ứng dụng và đặc biệt là đã được nhiều công ty phát triển thành các sản phẩm thương mại. Một số ứng dụng rất thành công của vật liệu áp điện phải kể đến như thiết bị cảm biến và tích hợp chúng trên các vi mạch hoặc các mạch số [38,80,83].
1.1.2. Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo