Kết quả cho thấy, khi nhiệt độ tăng Pr, Ec đều giảm và Ec có xu hướng giảm mạnh
hơn. Ở nhiệt độ phòng, Ec = 0,064 eV/Å giảm đến 45%, khi đó Pr = 72,5 C/cm2
giảm 16,5%. Tại nhiệt độ 550 K, Ec = 0,006 eV/Å giảm đến 95%, khi đó Pr =
42,8 C/cm2 giảm khoảng 50%. -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 -0.4 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 P ( μ C/cm 2 ) 0 K 300 K 350 K 400 K 450 K 500 K 550 K 605 K +Pr +Ec -Ec -Pr E (eV/Å) Tr ườ ng đ iệ n kh án g Ec (e V /Å ) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0 100 200 300 400 500 600 700 Nhiệt độ T (K)
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tính phân cực của PbTiO3, nhiệt độ tăng phân cực dư Pr giảm phù hợp với các nghiên cứu trước đây [60], [58], [59] và đặc biệt với nghiên cứu của Herchig và cộng sự [53] với Pr = 0 ở nhiệt độ khoảng 600 K.
2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độvà biến dạng đơn trục đến độphân cực đến độphân cực
Mơ hình khảo sát đồng thời dưới biến dạng đơn trục theo phương Oz (zz) từ 10% đến -10% với bước biến dạng 2% và nhiệt độ từ 0 K đến 650 K với mỗi bước là 50
K. Kết quả mô tả ảnh hưởng của cả nhiệt độ T và biến dạng đơn trục zz đến Pr, được
trình bày trên hình 2.21. Ở mỗi mức nhiệt độ xác định, Pr tiếp tục bị giảm khi chịu
nén, nhưng có xu hướng tăng khi chịu kéo. Sự ảnh hưởng kết hợp của cả nhiệt độ và
biến dạng đơn trục nên trạng thái chuyển pha (từ pha sắt điện sang pha thuận điện) là đáng kể.
Hình 2.21. Sựphân cực của PbTiO3 dưới biến dạng đơn trục ởcác nhiệt độkhác nhau.
Như trong phần 2.4.3 đã chứng minh, sự chuyển pha xảy ra khi nhiệt độ đạt đến 605 K (Pr = 0), tuy nhiên khi chịu thêm biến dạng, sự chuyển pha có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Cụ thể, ở các mức biến dạng nén -8%, -6%, -5%, -2%, sự chuyển pha xảy ra tương ứng ở các mức nhiệt độ là 0 K, 300 K, 400 K, 500 K. Kết quả thu
được này chỉ cho thấy, nhiệt độ chuyển pha giảm, khi biến dạng nén đơn trục tăng.
Mặt khác, sựphân cực vẫn có thể tồn tại ngay cả khi nhiệt độ lớn hơn 605 K. Tại các mức biến dạng kéo 2%, 4%, 6%, 8%, P đạt các giá trị tương ứng là: 57,2 C/cm2; 72,6 C/cm2; 84 C/cm2 và 93 C/cm2, hình 2.21. Biến dạng, zz 0 20 40 60 80 100 120 140 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 K 300 K 350 K 400 K 450 K 500 K 550 K 605 K Pr (μC/cm 2 )
2.5 Kết luận
Trong chương này, mơ hình vỏ - lõi được sử dụng, trong đó các hàm thế năng
tương tác giữa lớp vỏvà lớp lõi trong cùng một nguyên tửvà giữa các nguyên tử với
nhau được xác định bằng phương pháp thử và làm cho đúng (fitting) dựa trên kết quả
từ tính tốn ngun lí đầu. Bộ thơng số của các hàm thế năng tương tác thu được đã
được kiểm chứng có đủ độ tin cậy và được ứng dụng để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và biến dạng đến phân cực điện của vật liệu PbTiO3. Các kết quả thu được có thể tóm tắt dưới đây:
- Bộ thông số A, ρ, C, k2, k4 của các hàm thế năng vỏ - lõi cho vật liệu PbTiO3 được
xác định. Sai khác của các hằng số vật liệu giữa hai phương pháp (nguyên lí đầu và mơ hình vỏ - lõi) nhỏ hơn 7,5%;
- Kết quả tính tốn trực tiếp một số thơng số cơ tính như module khối (K), module cắt (G), module đàn hồi (E), hệ số poisson (), hệ số ứng suất áp điện (d). Sai khác
của các thông sốnày với phương pháp nguyên lý đầu nhỏhơn 2%;
- Phân cực dư Pr của PbTiO3 được xác định là 86,8 μC/cm2, sai khác nhỏ hơn 6,0%
so với kết quả thực nghiệm;
- Đường cong điện trễ được xác lập với trường điện kháng Ec = 0,115 eV/Å, phân cực dư Pr = 86,8 C/cm2 và phân cực bão hòa Ps = 101,21 C/cm2;
- Dưới biến dạng đơn trục zz, đường cong điện trễ được mở rộng dưới biến dạng
kéo và thu hẹp dưới biến dạng nén, trong đó sự thay đổi của Pr dưới biến dạng kéo
nhỏ hơn so với biến dạng nén. Ứng suất tăng lên khi điện trường tăng và ứng suất nén lớn hơn nhiều so với ứng suất kéo khi có cùng cường độ biến dạng;
- Dưới biến dạng đồng thời (xx = yy), đường cong điện trễ được mở rộng dưới biến dạng nén và thu hẹp dưới biến dạng kéo. Phân cực dư Pr và trường điện kháng Ec tương đối nhạy cảm với biến dạng đồng thời (xx = yy). Đáng chú ý, phân cực dư Pr ở biến dạng nén -8% tăng 1,68 lần so với phân cực 0%;
- Biến dạng cắt xy ảnh hưởng không đáng kể đến sự phân cực. Đường cong điện trễvà đường ứng suất gần như không thay đổi;
- Tỉ lệ c/a của cấu trúc PbTiO3 tăng khi chịu biến dạng kéo và giảm khi chịu nén đơn trục theo phương z, tỉ lệ này thay đổi ngược lại khi chịu biến dạng đồng thời theo phương x, y. Tuy nhiên, tỉ lệ c/a hầu như không thay đổi dưới biến dạng cắt;
- Đường cong điện trễ của PbTiO3 bị thu hẹp khi nhiệt độ tăng và bị suy biến thành
đường cong đơn ở nhiệt độ chuyển pha;
- Sự chuyển pha có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn khi có thêm ảnh hưởng của biến biến dạng nén đơn trục zz và sựphân cực vẫn có thể tồn tại ở nhiệt độcao hơn nhiệt
Chương 3. NGHIÊN CỨU CÁCH TẠO XOÁY PHÂN CỰC
ĐƠN CHO VẬT LIỆU PbTiO3 Ở KÍCH THƯỚC NANO MÉT
Vật liệu sắt điện ở kích thước nano gần đây đã được nghiên cứu mạnh mẽ sau khi
khám phá các cấu trúc miền phân cực bất thường như xoáy phân cực [160], chúng
nhanh chóng nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng tiên tiến như
cảm biến, bộ điều tiết, đầu dò [94], [161], bóng bán dẫn hiệu ứng trường [162], tế bào
quang điện [163] hoặc thậm chí mới lạ trong FRAM [9], [161]. Các cấu trúc xoáy lần đầu tiên được Kittel đề xuất cho hệ vật liệu sắt từ [164], và sau đó cũng được tìm thấy
trong hệ vật liệu sắt điện [160]. Trong cấu trúc màng vật liệu mỏng (hoặc siêu mỏng), một số nghiên cứu đã cho thấy rằng khi màng mỏng đạt đến kích thước tới hạn, các miền phân cực định hướng chung được sắp xếp lại thành các miền phân cực với định
hướng khác nhau ở các góc và tạo thành xốy phân cực [19], [95], [96], [165]. Các xoáy này thường đối xứng và ngược chiều nhau làm triệt tiêu phân cực tổng. Sự hình thành các xốy phân cực đã được chứng minh phụ thuộc vào một số yếu tố như bề
mặt kết thúc [16]–[18], độ dày [19] và các điều kiện biên (điều kiện biên điện và cơ học) của màng. Bên cạnh những nghiên cứu về tạo các xoáy phân cực, nhiều nỗ lực
nghiên cứu về điều khiển xoáy phân cực cũng đã được tiến hành. Xốy phân cực có
thể điều khiển bằng điện trường xốy [166]–[168] hoặc điện trường đồng nhất kết
hợp lực cơ học [64], [169]. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng điện trường xốy trên thực tế rất khó, bên cạnh đó phương pháp điện trường đồng nhất lại đòi hỏi một thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano sắt điện phức tạp. Do đó, việc điều khiển xốy phân cực trong cấu trúc nano sắt điện vẫn còn nhiều thách thức. Mặc dù có một số đáng kể
các nghiên cứu vềxoáy phân cực [94]–[97], [167], nhưng những nghiên cứu này vẫn
lúng túng trong cách điều khiển các xoáy phân cực, đặc biệt là xoáy phân cực đơn. Đây có thể là một trong nhiều lý do chính giải thích tại sao những ứng dụng của xốy phân cực vẫn còn rất hạn chế trong thực tế cho đến ngày hôm nay.
Một trong những ứng dụng đang được kì vọng của xốy phân cực là giảm kích thước của ô nhớ cơ bản nhằm tăng mật độ lưu trữ của FRAM. Hiện tại, những ứng
dụng này vẫn cịn bỏ ngỏ do chưa có một phương pháp khả dĩ trong việc tạo và kiểm
soát các xoáy phân cực. Như chúng ta biết, với một ô nhớ truyền thống của FRAM, nó bao gồm 1 bóng bán dẫn và 1 tụ điện (1T1C), trong đó tụ điện được cấu tạo bởi
một màng sắt điện (chất điện môi) đặt giữa hai điện cực. Việc ghi và đọc bít dữ liệu trong mỗi ơ nhớ được thực hiện qua tụ điện. Hướng của véc tơ phân cực trùng với chiều của điện trường ngoài, và véc tơ phân cực này được giữ lại sau khi điện trường
ngoài bị ngắt. Bít dữ liệu “1” và “0” được ghi lên ô nhớ phụ thuộc vào hướng lên “trên” hay xuống “dưới” của phân cực. Tuy nhiên, khi kích thước màng sắt điện giảm
xuống cỡ vài chục nano mét hoặc mỏng hơn, véc tơ phân cực tạo thành các miền phân cực xốy, thay vì vng góc với các điện cực. Như vậy, các miền phân cực xoáy này
làm tụ sắt điện truyền thống không thể ghi và đọc dữ liệu theo cách thông thường.
Đây là lý do, thúc đẩy việc tìm kiếm một phương pháp hữu hiệu trong việc tạo và điều khiển các xoáy phân cực ở kích thước nano.
Trong chương này, sử dụng phương pháp mô phỏng nguyên tử với mơ hình vỏ - lõi để tìm ra cơ sở tạo thành xoáy phân cực đơn trong cấu trúc sắt điện ở kích thước
nano mét. Dựa trên các xốy phân cực này đề xuất với phương pháp đơn giản có thể điều khiển xoáy phân cực đơn bằng điện trường trực tiếp.
3.1 Ảnh hưởng của chiều dày màng đến sự phân bốphân cực
Trên hình 3.1, mơ hình khảo sát màng PbTiO3 được xây dựng với 14 ô đơn vị theo phương x (14a - 5,43 nm), 5 ô đơn vị theo phương y (5a - 1,94 nm) và theo phương z với các chiều dày màng lần lượt từ 5c (1,94 nm), 10c (4,069 nm) và 20c (8,138 nm). Hằng số mạng a = 3,878 Åvà c = 4,069 Å (bảng 2.6). Bề mặt kết thúc của mơ hình
là PbO. Mơ hình xây dựng có miền phân cực 180o đồng hướng theo phương -z. Điều
kiện biên chu kỳ áp dụng trong mơ hình cho cả ba phương x, y, z. Chiều dày của lớp
chân không được thiết lập là 6 lần hằng số mạng theo phương z để tránh tương tác
không mong muốn giữa các lớp vật liệu [170]. Kết quả phân bố phân cực của cấu trúc
khối và màng nano PbTiO3 thu được ở các chiều dày khác nhau được trình bày trên
hình 3.2.