s 0 t (E) t exp E (1.28)
Trong đó i0, t0 là các hằng số; E là cường độ điện trường, α là trường hoạt hóa quay đơ men trong điện trường rất mạnh, thời gian quay được xác định như sau:
* n
s 0
t (E)t E (1.29)
Trong đó n có giá trị trong khoảng từ 1 đến 7 đối với mỗi loại vật liệu sắt điện [30]. Các hằng số mô tả q trình quay đơ men phụ thuộc vào nhiệt độ.
Do sự dịch chuyển của vách đơ men cần được kích hoạt nhiệt, q trình phân cực và quay đơ men sẽ được tăng cường khi nhiệt độ có giá trị cỡ nhiệt độ chuyển pha. Một điều cũng quan trọng, các chất sắt điện khơng có điện trường quay đơ men sắt điện xác định. Vì vậy, quá trình chuyển phân cực phụ thuộc vào độ lớn điện trường và thời gian điện trường tác dụng.
Một phương pháp khác để xác định sự dịch chuyển đơ men là sử dụng dịng điện có dạng xung hình sin hoặc tam giác. Về cơ bản đây là phương pháp đo sự quay đô men khi chu trình trễ tồn phần được thiết lập [7].
1.2 Tổng quan về vật liệu PZT
1.2.1 Cấu trúc và định hƣớng ƣu tiên
Một trong những vật liệu sắt điện và áp điện quan trọng nhất là dung dịch rắn dị nguyên của sắt điện PbTiO3 và phản sắt điện PbZrO3 (PZT). Sự chuyển pha từ không sắt điện-sắt điện (P-F) và sắt điện-sắt điện có thể diễn tả như sự méo ơ đơn vị.
Cấu trúc của PZT trên nhiệt độ Curie (TC) là pha thuận điện cấu trúc lập phương(m3m). Nhiệt độ TC đối với vật liệu PZT có giá trị từ 230oC tới 490oC phụ thuộc vào tỉ số Zr: Ti. Khi làm nguội xuống dưới nhiệt độ TC, PZT chuyển từ pha
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
thuận điện sang pha sắt điện. Cấu trúc tinh thể của pha sắt điện được xác định bởi tỉ số Zr:Ti. Khi tỉ lệ mol của PbTiO3 trong vật liệu PZT tăng, cấu trúc của PZT lần lượt có thể là cấu trúc trực thoi, tứ giác (3m hoặc 3c) hoặc cấu trúc mặt thoi (4mm).
Trên giản đồ pha Hình 1.10 ta thấy tỷ lệ hợp phần x nằm trong khoảng
0,45 x 0,5, hệ tồn tại ở pha có cả hai loại cấu trúc, mặt thoi và mặt tứ giác. Pha ở trạng thái này gọi là pha phân biên MPB [23, 2]. Trong pha tứ giác véctơ phân cực có thể quay theo sáu hướng tương ứng với các mặt (100), (100), (010), (010), (001), (001). Với pha mặt thoi thì véctơ phân cực tự phát có thể quay theo tám phương ứng với các mặt (111), (111), (111), (111), (111), (111), (111), (111).
Hình 1.10: Giản đồ pha hệ Pb(ZrxTi1-xO3), 0 x 1[4].
Ở nhiệt độ cao, PZT có cấu trúc perovskite lập phương và là một chất thuận điện. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha TC cấu trúc tinh thể chuyển sang pha tứ diện hoặc pha hình hộp hoặc pha hình thoi (Hình 1.11)
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
1.2.2 Điều khiển cấu trúc tinh thể của màng mỏng PZT
Các nghiên cứu gần đây [19, 21, 22] cho thấy tính chất của vật liệu PZT phụ thuộc vào định hướng cấu trúc tinh thể của vật liệu, trong đó chỉ ra rằng nhiệt độ kết tinh của PZT là 600oC và định hướng ưu tiên của màng có xu hướng là (100). Tuy nhiên nếu sử dụng màng PZT (100) thì gặp phải vấn đề lớn trong sự sắp xếp bất n định do cạnh tranh giữa định hướng (100) và định hướng (001). Do trong các ứng dụng của PZT thì tính n định là cần thiết như định hướng (111). Để có được màng mỏng PZT định hướng (111) thì cần phải có điều kiện cần thiết là phải có mầm kết tinh theo định hướng (111) [21].
Nhằm tăng định hướng (111) của màng PZT chúng tôi dự định tiến hành phủ lớp TiO2 lên đế SiO2/Si, sau đó phủ lớp điện cực Pt lên TiO2/SiO2/Si trước khi phủ màng mỏng PZT bởi cấu trúc tinh thể tương đồng giữa TiO2, Pt và PZT giúp cho định hướng (111) được ưu tiên [26].
1.2.3 Điều khiển tính chất sắt điện của màng mỏng PZT
Tính chất của màng mỏng Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ thành phần Zr:Ti, do vậy việc thay đ i tỷ lệ tỷ lệ Zr:Ti có thể điều khiển tính chất của màng cho phù hợp với từng yêu cầu của từng loại linh kiện [13].
Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ Zr:Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của PZT [33].
Từ Hình 12 mơ tả sự ảnh hưởng của tỷ lệ Zr:Ti lên hằng số điện môi ε và hệ số áp điện của PZT, từ đó ta có thể thấy các tính chất vật lý của vật liệu như hằng số điện môi, áp điện thể hiện sự bất thường tại biên pha hình thái học [33].
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và môi trường ủ thay đ i cũng dẫn tới tính chất của màng mỏng PZT thay đ i theo, thực tế cho thấy khi nhiệt độ tăng giá trị phân cực dư Pr và hằng số điện môi cũng tăng theo. Hiện tượng này, có thể được giải thích là khi nhiệt độ tăng thì kích thước hạt cũng lớn hơn làm cho thể tích biên hạt giảm đi. Trong luận văn này tơi nghiên cứu tìm ra nhiệt độ tối ưu nhất.
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến tính chất của màng mỏng PZT đó là bề dày [23]. Khi bề dày của màng mỏng PZT tăng lên độ phân cực dư tăng theo độ dày của màng mỏng. Nguyên nhân là do ảnh hưởng sự ghim các đô men tại các lớp tiếp xúc màng/điện cực và đế sẽ giảm đi, hay nói cách khác khả năng quay của các đô men sắt điện tăng khi chiều dày tăng. Khi bề dày lớp màng mỏng PZT tăng thì hằng số điện môi cũng tăng theo, nguyên nhân tăng là do sự giảm sự ảnh hưởng của lớp tiếp giáp dẫn tới cải thiện dịch chuyển vách domain. Màng càng dày thì lớp tiếp giáp càng được hạn chế dẫn tới hằng số điện môi tăng [11, 24].
Nhờ sự ảnh hưởng này mà ta điều khiển bề dày của màng mỏng PZT sao cho phù hợp với từng nhu cầu sử dụng.