1.1. Cơ sở lý thuyết của vật liệu sắt điện
1.1.3.3. Phân bố véctơ phân cực
Đặc trưng này liên quan đến tác dụng của điện trường ngoài đến độ phân cực của PZT. Dưới tác dụng của điện trường ngồi các đơ men điện sẽ dần dần dịch chuyển và định hướng theo hướng của điện trường tác dụng. Kết quả là độ phân cực của mẫu sẽ biến đ i, sự biến đ i này có dạng đường cong điện trễ giống như đường con trễ của các vật liệu sắt từ (Hình 1.9b). Đối với màng mỏng có độ dày 100 nm điện áp cấp giá giá trị dưới 1V cũng vẫn lớn hơn điện áp phân cực.
Hình 1.9: a) Đặc trưng điện dung (C-V) và b) Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện [5].
Nguồn gốc của đường trễ sắt điện là do sự tồn tại của q trình phân cực khơng thuận nghịch. Sự đảo chiều của lưỡng cực không thuận nghịch trong ô mạng sắt điện được giải thích bởi lý thuyết Landau. Tuy nhiên vai trị chính xác giữa các quá trình cơ bản này lên quan đến cấu trúc đơ men và sai hỏng mạng cần phải làm rõ.
Phân cực tồn phần liên quan đến đóng góp vào q trình thuận nghịch và khơng thuận nghịch, đã được nghiên cứu đối với các vật liệu sắt điện. Có hai cơ chế chính có thể giải thích cho q trình khơng thuận nghịch. Đầu tiên, các sai hỏng mạng tương tác với các vách đơ men và ngăn khơng cho nó trở về trạng thái ban đầu sau khi điện trường thôi tác dụng (hiện tượng ghim) [17]. Cơ chế thứ hai, sự hình thành mầm và sự phát triển của đơ men mới và quá trình này vẫn tiếp tục khi điện trường ngoài ngừng tác dụng. Trong vật liệu sắt điện vấn đề phức tạp hơn do lưỡng cực khuyết tật và điện tích tự do đóng góp vào sự phân cực và cũng có thể tương tác với đơ men [10].
Sự dịch chuyển của các đô men dưới tác dụng của điện trường ngồi xảy ra trong trường thế có liên quan đến sự tương tác của chúng với mạng tinh thể, các sai
Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi
hỏng điểm, lệch mạng và các vách đô men xung quanh. Sự đảo chiều của các vách đô men được coi là sự dịch chuyển nhỏ xung quanh vị trí thế năng cực tiểu định xứ. Khi điện trường tương tác đủ lớn, đơ men có thể dịch chuyển vượt qua hàng rào thế để nhảy sang vị trí cực tiểu thế năng bên cạnh. Trên cơ sở các tín hiệu lớn của đường cong điện trễ sắt điện với tín hiệu nhỏ điện dung ở điện áp khác nhau có thể giải thích phần đóng góp của q trình thuận nghịch hoặc khơng thuận nghịch đối với véctơ phân cực. Thành phần phân cực gây bởi q trình khơng thuận nghịch được xác định như sau [16]:
V irr tot 0 1 P (V) P (V) C(V')dV' A (1.26)
Trong đó Ptot là độ phân cực t ng cộng, A là diện tích bản cực tụ.
Đường cong điện trễ thường được đo ở tần số nhất định. Nếu cơ chế phân cực thuận nghịch chậm cũng đóng góp vào độ phân cực t ng cộng (dạng của đường cong điện trễ phụ thuộc vào tần số). Để khắc phục hiện tượng này, các phép đo phải được thực hiện với tần số thấp nếu có thể.