3.2. Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO 2 /SiO 2 /Si
3.2.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO 2 /SiO 2 /Si
Theo kết quả nghiên cứu về màng mỏng PZT của các nhóm khác nhau trên thế giới, màng mỏng PZT có nhiệt độ kết tinh khoảng 600oC và khi đó định hướng ưu tiên là (100) [6]. Tuy nhiên, nếu sử dụng màng mỏng PZT(100) trong các ứng dụng về bộ nhớ sắt điện, chúng ta sẽ gặp vấn đề lớn về sự sắp xếp bất ổn định do cạnh tranh giữa định hướng (100) và (001). Chính điều này làm giảm tính năng cũng như độ lặp lại của thiết bị ứng dụng vật liệu sắt điện PZT(100). Do đó, chúng tôi tập trung nghiên cứu màng PZT (có công thức hóa học là PbZr0,4Ti0,6O3) có định hướng ưu tiên (111). Trong các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, màng mỏng PZT(111) được chế tạo trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si thương mại. Các kết quả nghiên cứu tối ưu chất lượng màng mỏng PZT(111) đã được khảo sát chi tiết trong dải nhiệt độ từ 500oC đến 700oC, trong môi trường không khí với tỉ lệ khí sạch 4N với O2:N2 = 1:4, thời gian ủ 15 phút. Kết quả thu được từ cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất sắt điện cho thấy màng mỏng PZT(111) chế tạo trên đế Pt thương mại tại 600oC có chất lượng tốt nhất [3]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo và kiểm
Trường ĐHKHTN 43 ĐHQGHN ĐH tra độ lặp lại của màng mỏng PZT(111) trên đế Pt thương mại kết tinh tại nhiệt độ
tối ưu 600oC, từ đó chế tạo màng mỏng PZT(111) trên đế Pt sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200. Hình 3.5 cho thấy kết quả nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT trên đế Pt thương mại, sử dụng hệ nhiễu xạ X-Ray Diffraction D5005, HUS- VNU. Có thể nhận thấy rằng màng mỏng PZT có định hướng ưu tiên rõ ràng theo hướng (111). Điều này có được là do màng mỏng Pt thương mại có chất lượng cao, cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (fcc: face centerd cubic) khá hoàn chỉnh, nên định hướng tự nhiên là mặt phẳng (111). Định hướng ưu tiên (111) của màng mỏng Pt đóng vai trò như mầm tinh thể để màng mỏng PZT(111) mọc lên dễ dàng hơn, như quan sát trên Hình 3.5.
Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 600oC trên đế Pt thương mại.
Như đã thảo luận ở phần trên, việc thay thế đế Pt thương mại bằng đế Pt được chế tạo từ hệ phún xạ BOC Edwards hoặc hệ Jeol JFC-1200 là cần thiết, vì phần điện cực dưới có thể chủ động công nghệ trong chế tạo các thiết bị điện tử như tụ điện sắt điện hoặc bộ nhớ sắt điện. Từ quan điểm về cấu trúc tinh thể như so sánh
Trường ĐHKHTN 44 ĐHQGHN ĐH trên Hình 3.2 và hình thái bề mặt như so sánh trên Hình 3.3, chúng ta có thể nhận
thấy chất lượng màng mỏng Pt được chế tạo còn kém hơn so với đế Pt thương mại.
Tuy nhiên nếu xét về mục đích ứng dụng và sự đơn giản trong quy trình chế tạo, thì đế Pt được chế tạo từ hệ phún xạ Jeol JFC-1200 có ưu thế rõ rệt. Chính vì vậy, chúng tôi chế tạo màng mỏng PZT trên đế Pt dày 200 nm (như trên Hình 3.4, tức là lớp Pt được chế tạo từ hệ Jeol JFC-1200) tại nhiệt độ tối ưu của đế thương mại, tức là 600oC. Kết quả nhiễu xạ tia X được chỉ ra như trên Hình 3.6.
Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT kết tinh tại 600oC trên đế Pt sử dụng hệ phún xạ trên sử dụng hệ Jeol JFC-1200.
Từ phổ nhiễu xạ tia X trên Hình 3.6, chúng ta thấy xuất hiện đỉnh nhiễu xạ ở góc 2 39,8o tương ứng với đỉnh Pt (111). Đỉnh nhiễu xạ tại góc 2 38o tương ứng PZT(111) khá tương tự như màng mỏng PZT chế tạo trên đế Pt thương mại (Hình 3.5). Tuy nhiên, trên Hình 3.6, chúng ta cũng quan sát thấy các định hướng khác của màng mỏng PZT xuất hiện như tại 2 22o tương ứng với định hướng
Trường ĐHKHTN 45 ĐHQGHN ĐH (100) và 2 45o tương ứng với định hướng (200). Như vậy khi chất lượng màng
mỏng Pt sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 chưa hoàn hảo (Hình 3.2 và Hình 3.3), thì ngoài cơ chế mọc tinh thể PZT từ mầm Pt(111) thì còn các cơ chế khác. Nhiều nhóm tác giả đã đưa ra các giải thích về sự hình thành màng mỏng như kết quả ở trên là do sự hình thành của pha liên kết kim loại PtPb(111) nằm ở giữa hai lớp Pt(111) và PZT(111) [35]. Khi màng mỏng được ủ trong môi trường khử và ở nhiệt độ cao (600oC) thì một phản ứng ôxi hóa khử xảy ra giữa lớp liên kết Pt và PZT nơi có áp suất ôxi riêng phần thấp khi nhiệt độ tăng nhanh. Điều này làm giảm lượng Pb2+ thành kim loại Pb kéo theo sự hình thành lớp Pt5-7Pb trên bề mặt đế. Lớp Pt5-
7Pb có định hướng ưu tiên (111) đóng vai trò là lớp mầm cho sự hình thành cấu trúc tinh thể đơn pha PZT (111). Ngoài ra sự hình thành của mầm PbO trong nội tại màng mỏng PZT ở trạng thái vô định hình trước khi ủ sẽ đóng góp vào quá trình hình thành định hướng (100) và (200) như trên Hình 3.6 [45].