1.2. Vật liệu điển hình sử dụng trong tụ điện sắt điện
1.2.1 Vật liệu cấu trúc peroskite kẹp lớp Bi
1.2.1.1. Họ vật liệu Bi4-xLaxTi3O12 (BLT) a. Cấu trúc và tính chất
Tính chất điện của Bismuth tiatanate pha tạp lanthanum (BLT) lần đầu tiên được công bố vào năm 1999 trên tạp chí Nature. Vật liệu Bismuth titanate pha tạp
Trường ĐHKHTN 10 ĐHQGHN ĐH lanthanum có cấu trúc perovskite kẹp lớp Bi rất có triển vọng ứng dụng vào bộ nhớ
không tự xóa (NvFRAM). BLT là vật liệu được nghiên cứu rộng rãi vì những tính chất nổi trội như là tốc độ chuyển mạch nhanh, độ già hóa (fatigue) chậm với điện cực kim loại, sự ổn định tốt, nhiệt độ Curie cao (675oC) có tiềm năng ứng dụng nhiệt lớn.
Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể của Bi4-xLaxTi3O12 [10].
Hình 1.7: Đường cong phân tích nhiệt vi sai của Bi4-xLaxTi3O12 [3].
Trên Hình 1.6 là cấu trúc mạng tinh thể của BLT cấu trúc perovskite kẹp lớp Bi.
Ở đây ion La cũng có thể thay thế ion khác như Pr, Nd, Sm [41]. Về đặc trưng cấu trúc mạng tinh thể của BLT như trên Hình 1.6 cho thấy có ba lớp bát diện Ti-O được kẹp giữa hai lớp (Bi2O2)2+. BLT thường dược chế tạo quá trình nhiệt trạng thái rắn. Hỗn hợp các vi hạt ôxít Bi2O3, TiO2 và La2O3 được trộn đều, nung ở nhiệt độ
Trường ĐHKHTN 11 ĐHQGHN ĐH đệm, cuối cùng thiêu kết ở nhiệt độ cao. Trên Hình 1.7 là đường phân tích nhiệt vi
sai (DTA), ở đó bốn đỉnh hấp thụ nhiệt là 90, 229, 272 và 514oC và bốn đỉnh tỏa nhiệt là 250, 291, 445 và 820oC. Đỉnh hấp thụ nhiệt 90oC là do bây hơi của nước.
Vùng nhiệt hấp thụ và tỏa nhiệt 229-91oC có thể là sự bay hơi của dung môi trong gel. Pha không ổn định Bi2O3 và TiO2 được cho là xuất hiện ở 445oC và pha Bi2Ti4O11 xuất hiện tiếp theo do tác dụng của Bi2O3 và TiO2. Tiếp theo đó sự tác dụng của Bi2Ti4O11và Bi2O3 cho ra trạng thái pha Bi4Ti3O12 với cấu trúc tứ giác ở 514oC và cuối cùng là pha ổn định nhất có cấu trúc orthorhombic là Bi4-xLaxTi3O12 ở 820oC, nhiệt độ này được cho là thấp hơn nhiệt chuyển pha của BTO - có thể là do sự pha tạp Lathanum [48].
b. Ưu điểm và nhược điểm
Màng mỏng BLT lắng đọng trên đế Pt/Ti/SiO2/Si tại 725oC bằng phương pháp laser xung đã được báo cáo cho thấy giá trị Pr cao và độ chống già hóa tốt. Việc thay thế một phần ion Bi3+ bởi các ion La3+ góp phần vào việc ổn định hóa học của các ion ôxi trong khối perovskite, mà kết quả là độ chống già hóa tốt hơn và giảm mật độ dòng rò. Tomar [46] đã báo cáo rằng màng mỏng BLT lắng đọng trên bề mặt Pt/TiO2/SiO2/Si bởi quy trình quay phủ sol-gel. Giá trị của độ phân cực dư (2Pr) và lực khỏng điện (2Ec) của màng mỏng BLT tương ứng là 82 àC/cm2 và 200 kV/cm ở điện trường 270 kV/cm. Tuy nhiên, màng mỏng BLT này được ủ ở nhiệt độ tương đối cao khoảng 725oC để ứng dụng vào linh kiện thực tế, mặc dù tính chất điện của màng mỏng BLT cho thấy một sắt điện tốt so với màng mỏng BLT lắng đọng bởi phương pháp laser xung (PLD), MOCVD. Nó cũng được biết rằng hạ thấp quá trình nhiệt độ trong khi vẫn giữ được tính chất sắt điện tốt là rất quan trọng trong các ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện.
1.2.1.2. Họ vật liệu Sr(BixTa1-x)2O9 (SBT) a. Cấu trúc và tính chất
Phân cực tự phát của vật liệu Sr(BixTa1-x)2O9 (SBT) được hướng dọc theo trục a của tinh thể. Một trong những ưu thế của màng SBT là không có hiện tượng già hóa ngay cả khi chu kỳ ghi đọc lên đến 1012 và ngay cả khi sử dụng điện cực Pt. Tuy
Trường ĐHKHTN 12 ĐHQGHN ĐH nhiên, nhiệt độ kết tinh cao (trên 700oC) là nhược điểm lớn nhất của SBT. Trong
nhiều ứng dụng, Nb được thêm vào SBT với tỷ lệ từ 20-30% (SBTN). Nb giúp tăng độ phõn cực dư 2Pr của vật liệu từ 18 àC/cm2 lờn 24 àC/cm2 và do đú tăng hằng số điện môi của vật liệu. Tuy nhiên, lực kháng điện cũng tăng khi thêm Nb, thông thường từ 40 lên 63 kV/cm. Với mục đích tương tự, Sr và Bi cũng được sử dụng với tỷ lệ tương ứng là 20-30% và 10-15% để tăng độ phân cực dư của vật liệu như trên Hình 1.8 [37].
Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể của Sr(BixTa1-x)2O9. [38]
b. Ưu điểm và nhược điểm
SBT cho thấy độ chống già hóa cao sau 1012 chu kỳ, nhưng nó có một vài nhược điểm, chẳng hạn như quá trình nhiệt độ cao 750-825oC và độ phân cực dư nhỏ (2Pr) 4-16 àC/cm2. Mặt khỏc, cỏc tinh thể SBT đơn cho thấy rằng sự phõn cực tự phỏt (Ps) theo trục a và trục c tương ứng đạt 50 àC/cm2 và 4 àC/cm2.