1.3. Một số ứng dụng của mảng mỏng PZT
1.3.1.2. Vật liệu chính cho MEMS áp điện
Các tính chất quan trọng của vật liệu ứng dụng cho linh kiện áp điện gồm hệ số áp điện, nhiệt độ chuyển pha sắt điện, và độ n định của sự phản hồi áp điện. Hai cấu trúc tinh thể chính được sử dụng cho MEMS áp điện là cấu trúc wurtzite và perovskite.
Cấu trúc wurtzite (Hình 1.13) được tạo ra do cả ZnO và AlN. Tất cả các nguyên tử vừa được bố trí theo khối tứ diện, vừa được xếp theo vịng của khối lục giác vng góc với trục c tinh thể.
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
Hình 1.13: Cấu trúc tinh thể wurtzite của ZnO [3].
Ở đơn tinh thể, các cation ở các mặt đều được sắp xếp theo cùng định hướng. Khi tác dụng 1 lực theo hướng trục c, khối tứ diện thay đ i góc liên kết N-Al-N nhiều hơn là thay đ i chiều dài liên kết Al-N. Điều này tạo ra sự dịch chuyển tương đối của tâm khối với các điện tích âm và dương, tức là hệ số áp điện d33 ở AlN. Hệ số áp điện của AlN phụ thuộc vào định hướng của tinh thể. Sự tái định hướng của phân cực có thể làm gẫy các liên kết hóa học, nên AlN khơng phải là vật liệu sắt điện. Những kết quả này được khám phá ở sự cộng hưởng của khối màng mỏng, được tác giả Piazza cùng cộng sự đưa ra [18].
Cấu trúc perovskite (Hình 1.14) chỉ ra các dạng sắt điện biến dạng ph biến. Ở đa số perovskite, ô tinh thể kéo dài song song với hướng của sự phân cực tự phát và ràng buộc sau đó.
Hình 1.14: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3.
Ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu sắt điện tồn tại cấu trúc domain, nơi mà điện trường và cơ năng định xứ ở trong màng. Tính chất áp điện của vật liệu perovskite
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
được tối ưu hóa khi mà vật liệu bị thay đ i cấu trúc (tại điểm chuyển pha). Biên của pha tinh thể (biên ở giữa các pha của các vật liệu khác nhau không phụ thuộc vào nhiệt độ), viết tắt là MPBs, giống như sự phân cực, và các tính chất này thể hiện rõ rệt trong một khoảng nhiệt độ rộng. Điều này được áp dụng trong hệ dung dịch rắn với biên của pha tinh thể như PZT và PMN-PT. Các nghiên cứu gần đây về sự phản hồi tính áp điện ở vật liệu perovskite màng mỏng được báo cáo bởi Baek và Dunakubo cùng cộng sự [34].
Trong perovskite sắt điện, có một số cơ chế đóng góp cho hằng số áp điện, bao gồm sự mở rộng phân cực, sự xoay phân cực, và sự chuyển động các vách domain (Hình 1.14). Trong đó, sự mở rộng phân cực làm thay đ i hình dạng của tinh thể. Ngược lại, sự dịch chuyển vách domain cũng làm thay đ i hình dạng tinh thể thơng qua sự kết hợp với tái định hướng nội bộ của sự biến dạng tự phát (sự biến dạng phát triển cùng với sự phân cực) và thay đ i mức độ tác động lên các vùng xung quanh hạt/domain. Cuối cùng, sự xoay phân cực diễn ra khi tác dụng điện trường. Nói chung, dị hướng tinh thể giúp duy trì sự phân cực theo hướng ưu tiên lâu hơn sự dị hướng từ tinh thể điển hình. Tuy nhiên, khi sự chuyển pha diễn ra (mức năng lượng thấp hơn năng lượng giữa các biến dạng sắt điện), sự phân cực có thể xoay từ định hướng ưu tiên sang hướng mà điện trường ngoài tác dụng. Điều này tạo ra sự biến dạng lớn, thường trong các trường hợp đơn tinh thể perovskite với định hướng (001) PMN-PT mặt thoi, sự tác dụng điện trường làm xoay phân cực mà không làm dịch chuyển vách domain.
Các hệ số áp điện khác nhau sử dụng trong thiết bị MEMS được thể hiện ở
Hình 1.15 Với MEMS áp điện, hệ số áp điện dọc (d33,f) và hệ số biến dạng ngang (e31,f).
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
Hệ số áp điện theo chiều dọc có thể được xác định nếu điện cực được tạo ở trên đỉnh và đáy của màng bị biến dạng theo chiều dày. Do chiều dày của màng khá nhỏ, nên sự dịch chuyển bề mặt rất ít, nhưng nó lại được ứng dụng nhiều trong ứng dụng điện tử, theo Newns và cộng sự [27]. Trong trường hợp này, độ phân cực dư có thể được hình thành trong màng giữa các lớp điện cực khi có điện trường tác dụng, hằng số d33.f tạo ra biến dạng cho màng. Với cấu trúc uốn cong (màng áp điện và điện cực được xếp chồng lên nhau theo một lớp đàn hồi thụ động), sự biến dạng bề mặt nhỏ có thể tạo nên sự khuyết tật vng góc lớn, được thể hiện ở Hình 1.14 Hình thái của IDE cũng đóng góp nhiều vài năng lượng áp điện thu được của thiết bị, được báo cáo bởi Kim và đồng nghiệp [31].
Hệ số biến dạng ngang được ứng dụng để tạo được sự khuyết tật lớn cho màng, như là màng điện cực trên bề mặt, được sử dụng cho cấu trúc uốn cong với lớp đàn hồi thụ động.