Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tích hợp tụ điện sắt điện màng mỏng Pbzr0,4Ti0,6O3 chế tạo bằng phương pháp dung dịch trên đế đơn tinh thể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

VŨ THỊ HUYỀN TRANG

TÍCH HỢP TỤ ĐIỆN SẮT ĐIỆN MÀNG MỎNG PbZr0.4Ti0.6O3

CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP DUNG DỊCH

TRÊN ĐẾ ĐƠN TINH THỂ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số : 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là kết quả nghiên cứu do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình. Các kết quả trình bày

trong Luận văn là trung thực chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu

khác.

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan trên.

Học viên

Vũ Thị Huyền Trang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................i

BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................................... ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................................iv

TÓM TẮT .............................................................................................................. viii

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN.................................................................................... 1

1.1. Ứng dụng của tụ điện sắt điện trong công nghiệp điện tử ................................... 1

1.1.1 Ứng dụng trong sensor ....................................................................................... 1

1.1.2 Trong bộ nhớ FeRAM ........................................................................................ 7

1.2. Vật liệu điển hình sử dụng trong tụ điện sắt điện ................................................ 9

1.2.1 Vật liệu cấu trúc peroskite kẹp lớp Bi ................................................................ 9

1.2.2. Họ vật liệu perovskite Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) .................................................. 12

1.3. Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể và đa tinh thể ........... 16

1.3.1. Phương pháp lắng đọng laser xung (PLD) và phún xạ RF ............................. 17

1.3.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học ........................................................ 19

1.3.3. Phương pháp Sol- gel ...................................................................................... 20

1.4. Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ ................................................................ 23

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT ................... 25

2.1. Phương pháp chế tạo điện cực dưới TiO2/Pt ...................................................... 25

2.1.1 Chế tạo lớp TiO2 .............................................................................................. 25

2.1.2 Chế tạo lớp Pt ................................................................................................... 26

2.2. Phương pháp chế tạo màng mỏng PZT .............................................................. 27

2.2.1. Nguyên lý của phương pháp quay phủ (spin-coating). ................................... 27

2.2.2. Dung dịch tiền tố trong quá trình quay phủ .................................................... 28

2.2.3. Quy trình chế tạo màng mỏng PZT ................................................................. 28

2.3. Chế tạo tụ điện sắt điện ...................................................................................... 31

2.3.1. Hệ phún xạ điện cực trên Pt ............................................................................ 31

2.3.2. Cấu trúc tụ điện sắt điện .................................................................................. 31

2.4. Thiết bị khảo sát và đánh giá tụ điện sắt điện. ................................................... 33

2.4.1. Thiết bị nhiễu xạ tia X ..................................................................................... 33

2.4.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................................... 34

2.4.3. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ................................................................. 35

2.4.4. Thiết bị đo điện trễ và dòng rò ........................................................................ 36

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 39

3.1. Chế tạo màng mỏng Pt trên đế TiO2/SiO2/Si ..................................................... 39

3.1.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể ................................................................................ 39

3.1.2. Khảo sát hình thái bề mặt ................................................................................ 41

3.2. Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si .............................. 42

3.2.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si ........................... 42

3.2.2. Hình thái bề mặt màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si ........................... 45

3.2.3. Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si ........................... 46

3.3. Khảo sát tính chất của tụ điện Pt/PZT/Pt trên đơn tinh thể STO(111) .............. 49

3.3.1. Cấu trúc tinh thể đế Pt/STO(111) ................................................................... 49

3.3.2. Hình thái bề mặt của màng mỏng Pt trên đế đơn tinh thể STO(111) ............. 51

3.3.3. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/STO(111) ................................ 52

3.3.4. Hình thái bề mặt của màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111) ..... 53

3.3.5 Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) ................................ 54

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 60

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................. 67

LỜI CẢM ƠN

Em xin được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc nhất tới

TS. Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN, và tập thể

giảng viên những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng và

giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình em thực hiện Luận văn Thạc sĩ.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Nguyễn Quang Hòa- Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên, ThS. Đỗ Hồng Minh- Học viện Kỹ thuật Quân sự và CN.

Trần Văn Dũng như những người anh trai đã luôn chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá

trình thực nghiệm, đo đạc, và xử lý số liệu.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh kỹ thuật viên và các em sinh

viên nghiên cứu khoa học nhóm nghiên cứu của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình tại

trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi để

em có thể hoàn thành tốt quá trình làm thực nghiệm tại Khoa Vật lý - ĐHKHTN và

Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô - ĐHCN.

Lời sau cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, các anh chị

đồng nghiệp, gia đình và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ, động viên em trong suốt

quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành đề tài này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghiên cứu này được tài trợ từ đề tài mã số QG.14.08, Đại học Quốc gia Hà

Nội, và đề tài mã số 103.02-2012.81, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

Hà nội, ngày…… tháng…… năm 2015

Học viên: Vũ Thị Huyền Trang

i

BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Tiếng Anh Tiếng Việt Chữ viết tắt

Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử AFM

Bismuth Titanate Lanthanum BLT Bi4-xLaxTi3O12

Bán dẫn ô-xit kim loại bù CMOS

Complementary Metal-Oxide Semiconductor Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DRAM

EEPROM

FeRAM

Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Ferroelectric Random Access Memory Microelectromechanical systems Bộ nhớ chỉ đọc được lập trình có thể xóa được bằng điện Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện Hệ cảm biến vi cơ điện micro MEMS

MOCVD Metal Organic Chemical vapor

Deposition Nanoelectromechanical systems Lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng tiền chất kim loại- hữu cơ Hệ cảm biến vi cơ điện nano NEMS

NVRAM

PECVD

Non-Volatile Random-Access Memory Chemical Vapor Deposition Using Plasma Enhanced Pulsed Laser Deposition Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay hơi Lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng plasma tăng cường Phương pháp laser xung PLD

Lead Zircronate Titanate PZT Pb1.2Zr0.4Ti0.6O3

Strotium Bismuth Tantalate SBT SrBi2Nb2O9

Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SEM

Strontium Titanate STO SrTiO3

ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ……….32

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể wurtzite của AlN được thể hiện với nguyên tử Al

màu xám, và N màu lam. Các tâm tứ diện Al được xếp theo cùng 1 định hướng

với nhau (song song với trục c) và 3 nguyên tử liền kề sắp xếp theo khối kim tự

tháp. ......................................................................................................................... 4

Hình 1.2: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3, ion A

(đỏ) ở góc của tinh thể, io B (lam) nằm ở gần tâm của tinh thể, và ion O (trắng)

nằm gần tâm các mặt của tinh thể. Theo sự phát triển của phân cực tự phát, sự

biến dạng tự phát cũng được phát triển theo........................................................... 6

Hình 1.3: Sự phân tích về các biến dạng cơ khác nhau ở vật liệu áp điện. ........... 6

Hình 1.4: Các cảm biến thông dụng và mô hình dẫn động trong hệ vi cơ điện tử

áp điện. a) Mô hình uốn cong do e31,f (đôi khi gọi là d31) cho màng điện cực đáy

và đỉnh. Sự không đồng nhất trong cấu trúc tinh thể uốn cong khi màng áp điện

thu hẹp đóng vai trò như lớp đàn hồi thụ động. b) Sự uốn cong vuông góc do sự

mở rộng của cấu trúc dẫn động d33 sử dụng điện cực răng lược. Để xác định điện

trường tác động vào thiết bị, lớp áp điện bên dưới nên là điện môi. Lớp rào như

là ZrO2 oặc HFO2 thường được yêu cầu để cải thiện sự phản ứng giữa lead-base

perovskite và Si hoặc lớp đàn hồi SiO2. c) Chuyển động pitton do hệ số d33

vuông góc. Chú ý: PZT là Pb(Zr,Ti)O3, E là điện trường, Pr là độ phân cực tự

phát. ......................................................................................................................... 7

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM. ............................................ 8

Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể của Bi4-xLaxTi3O12. ................................................... 10

Hình 1.7: Đường cong phân tích nhiệt vi sai của Bi3.25La0.75Ti3O12. ................... 10

Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể của Sr(BixTa1-x)2O9. ................................................. 12

Hình 1.9: Giản đồ pha gốm Pb(ZrxTi1-x)O3. ......................................................... 14

Hình 1.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ Zr/Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của

Pb(ZrxTi1-x)O3. ...................................................................................................... 14

Hình 1.11: Sự phụ thuộc độ phân cực của tinh thể sắt điện vào nhiệt độ. ........... 15

Hình 1.12: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện. ........................................ 16

iv

Hình 1.13: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung. ......................................................... 17

Hình 1.14: Nguyên lý phún xạ. ............................................................................ 18

Hình 1.15: Các sản phẩm của kỹ thuật sol-gel. .................................................... 21

Hình 1.16: Quá trình quay phủ. ............................................................................ 22

Hình 2.1: Máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (ảnh tại Phòng thí nghiệm

Micro-nano, ĐHCN, ĐHQGHN). ........................................................................ 25

Hình 2.2: Hệ phún xạ cao áp một chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

ĐHQGHN. ............................................................................................................ 26

Hình 2.3: Đế đơn tinh thể STO. ........................................................................... 26

Hình 2.4: Đế STO sau khi được chế tạo lớp Pt. ................................................... 27

Hình 2.5: Quá trình quay phủ (spin-coating). ...................................................... 27

Hình 2.6: Sơ đồ quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm. ... 28

Hình 2.7: Mô hình đế Pt/TiO2/SiO2/Si (a) và đế Pt/STO (b) sau khi được chế tạo

màng mỏng PZT. .................................................................................................. 29

Hình 2.8: Quy trình sol-gel trong phòng sạch: (a) quay-phủ mẫu, (b) sấy mẫu, (c)

lò ủ nhiệt chậm.. .................................................................................................... 30

Hình 2.9: Phún xạ cao áp một chiều. ................................................................... 31

Hình 2.10: Cấu trúc tụ điện sắt điện (a) Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si và (b)

Pt/PZT/Pt/STO. ..................................................................................................... 32

Hình 2.11: Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực. ............................................. 32

Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể. ................. 33

Hình 2.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU. ....... 34

Hình 2.14: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM................................... 35

Hình 2.15: (a) Hình ảnh chụp khi đo phổ lực AFM, (b) Sự biến đổi của lực tương

tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách. ............................................... 36

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower. ........ 37

Hình 2.17: Đặc trưng dòng rò của một vật liệu điện môi. ................................... 37

Hình 2.18: Thiết bị đo đường cong điện trễ và dòng rò Radiant Precision LC 10.

38

v

Hình 3.1: Ảnh hưởng của công suất lên cấu trúc màng mỏng Pt chế tạo trên đế

TiO2/SiO2/Si. ......................................................................................................... 40

Hình 3.2: So sánh chất lượng màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế

thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol JFC-

1200. ..................................................................................................................... 41

Hình 3.3: So sánh hình thái bề mặt từ ảnh AFM của màng mỏng Pt chế tạo trên

đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c)

sử dụng hệ Jeol JFC-1200. .................................................................................... 41

Hình 3.4: Ảnh SEM cắt dọc của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si sử

dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200. ........................................................................... 42 Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 600oC trên đế Pt thương

mại. ....................................................................................................................... 43 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. ............................................ 44 Hình 3.7: Ảnh SEM màng mỏng PZT (ủ 600oC) trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng

hệ phún xạ Jeol JFC-1200: (a) phóng đại 30,000 lần, (b) phóng đại 150,000 lần.

45

Hình 3.8: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. .............................. 46

Hình 3.9: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

trước khi ủ điện cực Pt trên. .................................................................................. 47

Hình 3.10: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước khi ủ điện cực Pt trên............................................ 47

Hình 3.11: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

sau khi ủ điện cực Pt trên. ..................................................................................... 48

Hình 3.12: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si sau khi ủ điện cực Pt trên. .............................................. 49

Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể

STO(111). ............................................................................................................. 50

vi

Hình 3.14: Ảnh SEM của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể STO(111),

sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200. ...................................................................... 51

Hình 3.15: Ảnh AFM đế của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể

STO(111), sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 ..................................................... 51

Hình 3.16: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111). ......................................................................................................... 52

Hình 3.17: Ảnh SEM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111). ......................................................................................................... 53

Hình 3.18: Ảnh AFM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111). ......................................................................................................... 53

Hình 3.19: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111). ................................. 54

Hình 3.20: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

trước khi ủ điện cực Pt trên. .................................................................................. 55

Hình 3.21: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) sau

khi ủ điện cực Pt trên. ........................................................................................... 56

Hình 3.22: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/STO(111) trước khi ủ điện cực Pt trên. ............................................... 56

Hình 3.23: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/STO(111) sau khi ủ điện cực Pt trên. .................................................. 57

vii

TÓM TẮT

Nghiên cứu và phát triển màng mỏng sắt điện nhằm định hướng cho những ứng

dụng trong bộ nhớ sắt điện (FeRAM), các sensor, hay thiết bị vi cơ điện tử

(MEMS/NEMS) đã và đang diễn ra rất mạnh mẽ và đa dạng trong những năm gần

đây. Vật liệu oxit cấu trúc tinh thể dạng perovskite, chẳng hạn như PbZr0,4Ti0,6O3

(ký hiệu là PZT), có những ưu điểm vượt trội như độ phân cực điện dư lớn, trường

kháng điện nhỏ thích hợp với các thiết bị hoạt động ở thế thấp và nhiệt độ kết tinh

có thể hạ thấp hơn so với một số loại vật liệu sắt điện khác. Trong nghiên cứu này,

chúng tôi tập trung vào khảo sát và cải thiện chất lượng màng mỏng PZT trên đế

đơn tinh thể STO(111), thay thế cho đế đa tinh thể SiO2/Si truyền thống, dựa theo

cơ chế màng mỏng mọc định hướng từ mầm tinh thể có độ lệch mạng nhỏ. Trước

tiên, màng mỏng Pt đã được tối ưu trên đế đa tinh thể TiO2/SiO2/Si, sau đó áp dụng

điều kiện tối ưu cho đế đơn tinh thể bằng phương pháp phún xạ. Sau đó, màng

mỏng PZT được chế tạo trên cả đế Pt/TiO2/SiO2/Si và đế Pt/STO. Kết quả phân tích

XRD cho thấy màng mỏng PZT có định hướng (111) và (100) được hình thành rõ

ràng, hình thái bề mặt nhẵn, phẳng, nhưng hình thành các biên hạt thể hiện màng

mỏng PZT chưa đạt được cấu trúc đơn tinh thể. Kết quả khảo sát tụ điện Pt/PZT/Pt

trên đế đơn tinh thể STO cho thấy đặc trưng điện trễ (P-E) có độ điện dư Pr = 38 µC/cm2 và lực kháng điện 2Ec = 180 kV/cm khi điện thế tác dụng là 5 V. Các giá trị này có giảm đi khi tiến quy trình ủ điện cực trên, khi đó Pr = 25 µC/cm2 và 2Ec

= 100 kV/cm ứng với điện thế tác dụng là 5 V. Đặc trưng dòng rò cũng giảm từ 2×10-4 A xuống 1×10-5 A, tương ứng với điện thế tác dụng 5 V, sau khi ủ. Những kết

quả này có thể so sánh được với kết quả thu được của nhiều nhóm trên thế giới, và

phù hợp với các ứng dụng trong thiết bị sắt điện hoặc áp điện. Tuy nhiên giá thành

của đế đơn tinh thể STO(111) thường cao gấp nhiều lần đế Si truyền thống, nên nếu

được thương mại hóa, cần có sự bù trừ giữa tính năng thiết bị và giá thành chế tạo.

viii

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1. Ứng dụng của tụ điện sắt điện trong công nghiệp điện tử

1.1.1 Ứng dụng trong sensor

a. Các loại cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay

hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông

tin về trạng thái hay quá trình đó. Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu

chí kỹ thuật như sau: độ nhạy, mức tuyến tính, dải biến đổi, ảnh hưởng ngược, mức

nhiễu ồn, sai số xác định, độ trôi, độ trễ, độ tin cậy, điều kiện môi trường thích ứng.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia

gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển

động, gia tốc, từ trường, trọng trường.

- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói.

Chúng ta có thể chia ra thành cảm biến chủ động và cảm biến bị động, phân biệt

ở nguồn năng lượng biến đổi lấy từ đâu.

- Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín

hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất

thành điện tích trên bề mặt. Các antenna cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động.

- Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu

điện. Điển hình là các đi-ốt quang khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện

trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. Các cảm biến bằng biến trở cũng

thuộc kiểu cảm biến bị động.

Ngoài ra, chúng ta cũng có thể phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động

như:

- Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay

của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

- Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ,

cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động.

1

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

- Cảm biến điện dung: sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách

hay góc đến vật thể kim loại thay đổi.

- Cảm biến từ trường: cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật

liệu sắt từ.

- Cảm biến quang: các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong

camera, các đi-ốt quang ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ

đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in. Chúng đang là nhóm đầu bảng

được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao.

- Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: sử dụng các chất phát quang thứ cấp để

phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn.

- Cảm biến điện hóa: các đầu dò ion, độ pH.

- Cảm biến nhiệt độ: cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn có hệ số

nhiệt điện 10 mV/K.

- Cảm biến áp điện: chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như

BaTiO3, Pb(ZrTi)O3, mà chúng ta hay gọi tắt là MEMS (microelectromechanical

systems) hoặc NEMS (nanoelectromechanical systems).

b. Cảm biến MEMS/NEMS

Các tác nhân tạo nên sự chuyển động trong cấu trúc vi cơ bao gồm hiện tượng

tĩnh điện, từ giảo, nhiệt và áp điện. Nhìn chung, các thiết bị MEMS thường sử dụng

Si, SiO2, SixNy, hoặc cacbon cấu trúc micro và nano giống kim cương bị kích thích

bởi lực tĩnh điện giữa các bề mặt mang điện. Công nghệ này mở ra nhiều ứng dụng

khả quan mới, ví dụ như trong lĩnh vực MEMS, sự điều biến ánh sáng đang được

phát triển cho công nghệ quang khắc mà không cần sử dụng mặt nạ. Các thiết bị

MEMS luôn theo hướng thu nhỏ kích thước hơn và tăng mật độ tích hợp với sự tăng

tốc độ, sự chuyển động rộng hơn, và các tác động kích thích mạnh hơn. Hiện nay,

xu hướng này được thực hiện bằng cách kết hợp các thành phần cơ học thụ động

kích thước nano với thiết bị MEMS kích thước lớn hơn để tăng cường lực tĩnh điện.

Trong các thiết bị tĩnh điện, MEMS áp điện sở hữu một số tính chất đặc biệt và thú

vị như:

2

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

- Các thiết bị tần số cao, cộng hưởng nhiệt có thể hoạt động được ở nhiệt độ cao

và tần số ổn định. Điều này là do sự lắng đọng màng cấu trúc wurtzite trên cấu trúc

cách tử Bragg [13]. Công nghệ này hiện nay phổ biến trong lọc tần số cao (như điện

thoại di động) và cho phép thu nhỏ đáng kể các thiết bị cầm tay.

- Hiện tượng áp điện xảy ra bất cứ lúc nào khi mà thiết bị chịu một tác động cơ

học. Do vậy, cảm biến áp điện hoạt động mà không cần điện áp (mặc dù sự duy trì

điện tử cần cung cấp nguồn điện). Vì vậy, chế tạo được các thiết bị tiêu thụ ít năng

lượng với mức nhiễu thấp và dải hoạt động rộng là hoàn toàn có thể.

- Sự chuyển đổi giữa cơ năng và điện năng góp phần làm cho các thiết bị

MEMS áp điện được nghiên cứu ứng dụng trong các thiết bị, đặc biệt là gắn trên

các cấu trúc rung lắc, bởi vì chỉ một sự rung nhẹ cũng có thể tạo ra điện. Mặc dù

ứng dụng này chưa được phát triển mạnh, nhưng nó đã và đang thu hút trong ứng

dụng cảm biến không dây công suất thấp. Hơn nữa, các thiết bị MEMS áp điện có

thể được sử dụng như một cảm biến gắn với cơ thể con người.

- Thiết bị truyền động áp điện có mật độ năng lượng cao hơn so với thiết bị

truyền động tĩnh điện. Với thiết bị truyền động, giá trị lực trên một đơn vị diện tích

phụ thuộc tuyến tính theo điện trường E [~e31E] với thiết bị áp điện (e31 là hệ số áp điện) và phụ thuộc theo hàm bậc hai [~εoεrE2] (εo là hằng số điện môi trong chân

không và εr là hằng số điện môi tương đối) với thiết bị tĩnh điện. Hơn nữa, hằng số điện

môi của màng áp điện lớn hơn hằng số điện môi của không khí cỡ 10-1000 lần, nên

yêu cầu đặt ra là cần điều khiển dòng, thế để tạo ra sự dịch chuyển trong cấu trúc có

cùng độ cứng của truyền động áp điện, sao cho cường độ dịch chuyển là nhỏ nhất.

- Vật liệu áp điện là công nghệ chính trong truyền động. Sự điều khiển có định

hướng có thể đóng góp vào sự lắng đọng của màng lúc ban đầu, AlN và các cấu trúc

kết hợp wurtzite khác thường được sử dụng để giảm kích thước của thiết bị (cỡ vài

chục nm). Nói cách khác, tính chất áp điện (xảy ra ở tất cả các vật liệu áp điện) có

thể được duy trì ở màng mỏng với độ dày thích hợp. Hơn nữa, mật độ năng lượng

của truyền động áp điện cũng đóng vai trò lớn trong việc thu nhỏ số chiều, hay giảm

thể tích của cấu trúc.

3

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

c. Vật liệu chính cho MEMS áp điện

Các tính chất quan trọng của vật liệu ứng dụng cho thiết bị áp điện gồm hệ số

áp điện, nhiệt độ chuyển pha sắt điện, và độ ổn định của sự phản hồi áp điện. Hai

cấu trúc tinh thể chính được sử dụng cho MEMS áp điện là cấu trúc wurtzite và

perovskite. Cấu trúc wurtzite (Hình 1.1) được tạo ra do cả ZnO và AlN. Tất cả các

nguyên tử vừa được bố trí theo khối tứ diện, vừa được xếp theo vòng của khối lục

giác vuông góc với trục c tinh thể. Ở đơn tinh thể, các cation ở các mặt đều được

sắp xếp theo cùng định hướng. Khi tác dụng 1 lực theo hướng trục c, khối tứ diện

thay đổi góc liên kết N-Al-N nhiều hơn là thay đổi chiều dài liên kết Al-N. Điều này

tạo ra sự dịch chuyển tương đối của tâm khối với các điện tích âm và dương, tức là

hệ số áp điện d33 ở AlN. Hệ số áp điện của AlN phụ thuộc vào định hướng của tinh

thể. Sự tái định hướng của phân cực có thể làm gẫy các liên kết hóa học, nên AlN

không phải là vật liệu sắt điện. Những kết quả này được khám phá ở sự cộng hưởng

của khối màng mỏng, được tác giả Piazza cùng cộng sự đưa ra [14].

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể wurtzite của AlN được thể hiện với nguyên tử Al màu xám, và N màu

lam. Các tâm tứ diện Al được xếp theo cùng 1 định hướng với nhau (song song với trục c) và

3 nguyên tử liền kề sắp xếp theo khối kim tự tháp [12].

Cấu trúc perovskite (Hình 1.2) chỉ ra các dạng sắt điện biến dạng phổ biến. Ở đa

số perovskite, ô tinh thể kéo dài song song với hướng của sự phân cực tự phát và

4

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

ràng buộc sau đó. Ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu sắt điện tồn tại cấu trúc domain,

nơi mà điện trường và cơ năng định xứ ở trong màng. Tính chất áp điện của vật liệu

perovskite được tối ưu hóa khi mà vật liệu bị thay đổi cấu trúc (tại điểm chuyển

pha). Biên của pha tinh thể (biên ở giữa các pha của các vật liệu khác nhau không

phụ thuộc vào nhiệt độ), viết tắt là MPBs, giống như sự phân cực, và các tính chất

này thể hiện rõ rệt trong một khoảng nhiệt độ rộng. Điều này được áp dụng trong hệ

dung dịch rắn với biên của pha tinh thể như PZT và PMN-PT. Các nghiên cứu gần

đây về sự phản hồi tính áp điện ở vật liệu perovskite màng mỏng được báo cáo bởi

Baek và Dunakubo cùng cộng sự [3].

Trong perovskite sắt điện, có một số cơ chế đóng góp cho hằng số áp điện, bao

gồm sự mở rộng phân cực, sự xoay phân cực, và sự chuyển động các vách domain

(Hình 1.3). Ví dụ, sự mở rộng phân cực làm thay đổi hình dạng của tinh thể. Ở vật

liệu PZT, tinh thể kéo dài theo hướng song song với định hướng phân cực khi mà

tác dụng điện trường theo hướng đó. Yếu tố này đóng góp vào độ phân cực phản hồi

nội tại của vật liệu. Ngược lại, sự dịch chuyển vách domain cũng làm thay đổi hình

dạng tinh thể thông qua sự kết hợp với tái định hướng nội bộ của sự biến dạng tự

phát (sự biến dạng phát triển cùng với sự phân cực) và thay đổi mức độ tác động lên

các vùng xung quanh hạt/domain. Cuối cùng, sự xoay phân cực diễn ra khi tác dụng

điện trường. Nói chung, dị hướng tinh thể giúp duy trì sự phân cực theo hướng ưu

tiên lâu hơn sự dị hướng từ tinh thể điển hình. Tuy nhiên, khi sự chuyển pha diễn ra

(mức năng lượng thấp hơn năng lượng giữa các biến dạng sắt điện), sự phân cực có

thể xoay từ định hướng ưu tiên sang hướng mà điện trường ngoài tác dụng. Điều

này tạo ra sự biến dạng lớn, thường trong các trường hợp đơn tinh thể perovskite

với định hướng [001] PMN-PT mặt thoi, sự tác dụng điện trường làm xoay phân

cực mà không làm dịch chuyển vách domain.

5

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Hình 1.2: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3, ion A (đỏ) ở góc của tinh

thể, ion B (lam) nằm ở gần tâm của tinh thể, và ion O (trắng) nằm gần tâm các mặt của tinh

thể. Theo sự phát triển của phân cực tự phát, sự biến dạng tự phát cũng được phát triển theo

[16].

Hình 1.3: Sự phân tích về các biến dạng cơ khác nhau ở vật liệu áp điện. a) Sự mở rộng tinh thể

perovskite. Vật liệu được kéo dài theo trục a với sự biến dạng tứ diện. Nguyên tử màu lam ở

góc của tinh thể (cation lớn) là Pb, O màu xám, và cation B nhỏ (thường là Ti, Zr, Nb) được

thể hiện màu đỏ. Mũi tên chỉ sự định hướng của phân cực tự phát Ps. Sự biến dạng của tinh

thể thay đổi từ hình dạng ban đầu (các đường nét đứt màu đỏ) khi bị điện trường E tác dụng.

b) Sự dịch chuyển vách domain trong sự biến dạng tứ diện của perovskite hướng phân cực tự phát lệch 90o. Khi vách domain dịch chuyển, vật liệu thay đổi hình dạng [12].

6

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Các hệ số áp điện khác nhau sử dụng trong thiết bị MEMS được thể hiện ở

Hình 1.4. Với MEMS áp điện, hệ số áp điện theo chiều dọc (d33,f) có thể được xác

định nếu điện cực được tạo ở trên đỉnh và đáy của màng bị biến dạng theo chiều

dày. Do chiều dày của màng khá nhỏ, nên sự dịch chuyển bề mặt rất ít, nhưng nó lại

được ứng dụng nhiều trong ứng dụng điện tử, theo Newns và cộng sự [23]. Đương

nhiên, d33,f cũng được sử dụng nếu màng sắt điện được lắng đọng trên đế điện môi,

và điện cực răng lược (IDE) được tạo trên bề mặt màng. Trong trường hợp này, độ

phân cực dư có thể được hình thành trong màng giữa các lớp điện cực khi có điện

trường tác dụng, hằng số d33.f tạo ra biến dạng cho màng. Với cấu trúc uốn cong

(màng áp điện và điện cực được xếp chồng lên nhau theo một lớp đàn hồi thụ động),

sự biến dạng bề mặt nhỏ có thể tạo nên sự khuyết tật vuông góc lớn, được thể hiện ở

Hình 1.4. Hình thái của IDE cũng đóng góp nhiều vài năng lượng áp điện thu được

của thiết bị, được báo cáo bởi Kim và đồng nghiệp. Một phương pháp khác để tạo

được sự khuyết tật lớn cho màng là sử dụng hệ số biến dạng ngang (e31,f) của vật

liệu như là màng điện cực trên bề mặt, được sử dụng cho cấu trúc uốn cong với lớp

đàn hồi thụ động.

hình uốn cong do e31,f (đôi khi gọi là d31) cho màng điện cực đáy và đỉnh. Sự không đồng nhất

trong cấu trúc tinh thể uốn cong khi màng áp điện thu hẹp đóng vai trò như lớp đàn hồi thụ

động. b) Sự uốn cong vuông góc do sự mở rộng của cấu trúc dẫn động d33 sử dụng điện cực

răng lược. Để xác định điện trường tác động vào thiết bị, lớp áp điện bên dưới nên là điện môi.

Lớp rào như là ZrO2 oặc HfO2 thường được yêu cầu để cải thiện sự phản ứng giữa perovskite

chì và Si hoặc lớp đàn hồi SiO2. c) Chuyển động piston do hệ số d33 vuông góc [21].

Hình 1.4: Các cảm biến thông dụng và mô hình dẫn động trong hệ vi cơ điện tử áp điện. a) Mô

1.1.2 Trong bộ nhớ FeRAM

7

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

FeRAM là bộ nhớ không tự xóa, trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi.

Bộ nhớ FeRAM có thể sử dụng được với các ứng dụng đòi hỏi độ đóng mở cao và

trong môi trường khắc nghiệt như ngoài không gian. Cấu trúc của một đơn vị nhớ

FeRAM được chỉ ra như Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ sắt điện (dạng 1

transistor) có thể được giải thích thông qua đường cong điện trễ.

Trạng thái “ON” hình thành khi ta đặt thế cực cửa VG > 0, lớp sắt điện sẽ được

phân cực dương +Pr (trạng thái 1). Một vùng điện tích cảm ứng (đóng vai trò như

một kênh dẫn) sẽ xuất hiện ở phần tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Do vậy khi ta

cấp điện thế ở hai cực nguồn (S) và máng (D) sẽ có dòng điện chạy qua kênh dẫn

(Hình 1.5a).

Trạng thái “OFF” là khi VG < 0, lớp sắt điện phân cực âm –Pr (trạng thái 0). Do

hiện tượng cảm ứng điện, một vùng nghèo (tích điện dương) được hình thành tại lớp

tiếp giáp giữa lớp sắt điện và đế Si. Vùng nghèo này sẽ ngăn cản dòng điện chạy từ

cực nguồn sang cực máng (Hình 1.5b).

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM [5].

Để có bộ nhớ sắt điện hoạt động ổn định thì chất lượng của lớp cổng sắt điện

đóng vai trò rất quan trọng. Thông qua thay đổi thành phần cấu tạo và phương pháp

chế tạo mà màng mỏng PZT thường được sử dụng để chế tạo FeRAM vì nó có độ

điện dư cao cũng như nhiệt độ kết tinh thấp hơn so với các loại vật liệu sắt điện

khác. Để bộ nhớ có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp thì độ dày màng mỏng phải đủ

nhỏ năng lượng tiêu hao là cực tiểu trong quá trình chuyển mạch. Màng mỏng PZT

với chiều dày ~ 200- 300 nm có thể chuyển mạch chỉ xấp xỉ 5 V. Phần tiếp giáp

8

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

giữa đế và màng mỏng PZT rất nhỏ nên giảm sự hình thành vùng không sắt điện ở

phần giáp ranh. Mặt khác vật liệu dùng để chế tạo điện cực dưới không được phản

ứng với màng PZT ở nhiệt độ cao trong quá trình chế tạo. Thực tế, mặc dù vật liệu

sắt điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị thương mại, nó vẫn còn một số

tính chất được tối ưu, điển hình là tính áp điện và hỏa điện. Để thiết bị đạt được

hiệu suất cao, màng mỏng sắt điện cần đáp ứng được các yêu cầu nhất định. Vật liệu

chế tạo FeRAM phải có độ phân cực lớn và lực kháng điện nhỏ. Để đạt được điều

này, vật liệu sắt điện có cấu trúc vi mô của màng mỏng phải được tối ưu hóa cấu

trúc đế và điện cực cũng như lựa chọn phương pháp chế tạo màng thích hợp. Vật

liệu sắt điện ứng dụng trong chế tạo FeRAM chủ yếu tập trung vào 2 hướng:

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (DRAM): vật liệu sắt điện thường được sử dụng ở

màng mỏng và đóng vai trò là tụ điện. Vật liệu sắt điện có hằng số điện môi ε lớn

(100- 1000), lớn hơn rất nhiều so với vật liệu Si (ε = 5) hoặc 25 so với Ta2O5. Để

tăng mật độ lưu trữ thông tin hay nói cách khác là số đơn vị nhớ trên một đơn vị

diện tích. Các DRAM sử dụng tụ điện hoặc transistor thường tốn ít diện tích hơn

các DRAM sử dụng tụ điện.

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay hơi (NVRAM): vật liệu sắt điện không

những đóng vai trò là tụ điện như nêu ở trên mà còn được sử dụng như đơn vị nhớ.

Ưu điểm của ứng dụng của bộ nhớ sắt điện là: điện thế hoạt động thấp (1.0 kV),

kích thước nhỏ (bằng khoảng 20% kích thước ô nhớ EEPROM truyền thống), độ

bền bức xạ cao (không chỉ trong các ứng dụng quân sự mà còn cho các hệ thống

liên lạc vệ tinh), tốc độ cao (60 ns trong các thiết bị thương mại và vài ns trong các

bộ nhớ ở phòng thí nghiệm.

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

9

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

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

10

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

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 kháng điện (2Ec) của màng mỏng BLT tương ứng là 82 µC/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

11

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

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 phân cực dư 2Pr của vật liệu từ 18 µC/cm2 lên 24 µC/cm2 và do đó 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 µC/cm2. Mặt khác, các tinh thể SBT đơn cho thấy rằng sự phân cực tự phát (Ps) theo trục a và trục c tương ứng đạt 50 µC/cm2 và 4 µC/cm2.

1.2.2. Họ vật liệu perovskite Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT)

a. Cấu trúc và tính chất

 Cấu trúc perovskite:

Trong số các vật liệu có cả tính sắt điện, các ôxít có cấu trúc perovskite (Hình

1.2) chiếm một số lượng lớn và đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của

các nhà khoa học trên thế giới. Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu

trúc tinh thể giống với CaTiO3, với công thức cấu tạo chung ABO3 trong đó A, B là

các ion dương có bán kính khác nhau, nhưng thông thường bán kính ion dương A

12

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

lớn hơn so với ion dương B. Cấu trúc perovskite là biến thể của hai cấu trúc lập

phương với ion dương A nằm ở đỉnh của hình lập phương, có tâm là ion dương B. Ion dương B đồng thời cũng là tâm bát diện tạo bởi các ion âm O2-. Ion O2- nằm ở

trung tâm các mặt của ô đơn vị. Cấu trúc tinh thể có thể thay đổi từ lập phương sang

dạng khác như hệ trực giao, trực thoi khi các ion A, B bị thay thế bởi các nguyên tố

khác. Tùy thuộc nguyên tố B là Ti hay họ cobaltite khi B = Co. Còn A thường là

các nguyên tố như Bi, Pb. Ngoài ra, các nguyên tố ôxi cũng có thể bị thay thế bởi

PZT được hình thành do sự kết hợp của PbZrO3

các nguyên tố halogen khác như F, Cl hoặc các nguyên tố kim loại nhẹ như Ni, Co. - một chất phản sắt điện có cấu - một chất sắt điện có cấu trúc perovskite tứ giác. trúc tinh thể trực thoi và PbTiO3 PZT có cấu trúc tinh thể dạng perovskite với các ion Ti4+ và Zr4+ đóng vai trò là cation B4+ một cách ngẫu nhiên. Giản đồ pha của PZT được trình bày ở Hình 1.9.

Biên pha hình thái học là đường phân chia vùng sắt điện thành hai miền: pha sắt

điện có cấu trúc mặt thoi (phía giàu Zr) và pha sắt điện có cấu trúc tứ giác (phía

giàu Ti). Một số nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng tại biên pha hình thái học là vùng

tồn tại đồng thời cả ba pha là tứ giác, mặt thoi và đơn tà. Do pha đơn tà không tồn

tại trục đối xứng mà chỉ tồn tại mặt đối xứng nên nó cho phép vectơ phân cực điện

quay dễ dàng trên mặt này, giữa các trục cực của các pha tứ giác và mặt thoi. Trên

giản đồ ta thấy, biên pha hình thái học không phải là biên giữa hai pha tứ giác và

mặt thoi, thay vào đó là biên giữa pha tứ giác và pha đơn tà với 0.43≤ x ≤ 0.57. Kết

quả này đã cung cấp những lý giải quan trọng về mối liên hệ giữa pha đơn tà và tính

chất áp điện nổi bật của PZT.

Hình 1.10 mô tả ảnh hưởng của tỷ lệ Zr/Ti lên hằng số điện môi (ε) và hệ số áp

điện (K) của PZT. Từ hình này ta có thể thấy các tính chất vật lý của vật liệu như

hằng số điện môi và áp điện thể hiện sự bất thường tại đường biên pha hình thái

học. Ở nhiệt độ cao, PZT có cấu trúc perovskite lập phương và là một chất thuận

điện. Ở nhiệt độ thấp hơn Tc, cấu trúc tinh thể chuyển sang pha tứ diện hoặc pha

hình hộp mặt thoi. Ở pha hình hộp mặt thoi, sự phân cực tự phát dọc theo họ hướng

13

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

<100> trong khi ở pha trực thoi, sự phân cực lại dọc theo họ hướng <111>. Nếu tỷ

lệ Zr/Ti dưới 95/5 thì vật liệu là phản sắt điện và có pha trực thoi.

Hình 1.9: Giản đồ pha của Pb(ZrxTi1-x)O3 [16].

Hình 1.10: Ảnh hưởng tỷ lệ Zr/Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của Pb(ZrxTi1-x)O3[3].

 Nhiệt độ Curie Tc

Nhiệt độ Curie là một trong những đặc trưng quan trọng của chất sắt điện. Tính

chất sắt điện chỉ có thể xảy ra ở dưới nhiệt độ này, khi đó năng lượng định hướng

các mômen lưỡng cực thắng thế so với năng lượng nhiệt (định hướng hỗn loạn). Ở

trên nhiệt độ Curie, sự định hướng trật tự của vật liệu sắt điện bị phá hủy bởi năng

14

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

lượng nhiệt và nó sẽ trở thành một chất thuận điện, tức là hưởng ứng thuận theo

điện trường ngoài. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ trong được tính

theo biểu thức Curie- Weiss.

Trong đó: ε là hằng số điện môi của vật liệu, ε0=8,86x10-12C2N-1m-2 (F/m) là

hằng số điện môi của chân không, C là hằng số Curie- Weiss. Hình 1.11 biểu diễn

sự phụ thuộc độ phân cực của tinh thể sắt điện vào nhiệt độ. Theo đó độ phân cực

giảm đột ngột về 0 khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ Curie.

Hình 1.11: Sự phụ thuộc độ phân cực của tinh thể sắt điện vào nhiệt độ [3].

 Hiện tượng điện trễ

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, độ phân cực của vật liệu sắt điện sẽ thay

đổi cả về độ lớn và hướng. Sự phụ thuộc của độ phân cực điện vào điện trường

ngoài được thể hiện bằng đường cong điện trễ (Hình 1.12).

Các thông tin thu được từ đường cong điện trễ bao gồm: độ phân cực bão hòa

Ps, độ phân cực dư Pr và lực kháng điện Ec.

15

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Hình 1.12: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện [3].

b. Ưu điểm và nhược điểm

Trong số các chất sắt điện, PZT được biết đến là vật liệu quan trọng nhất đối

với các ứng dụng này, và đã được nghiên cứu rộng rãi vì tính sắt điện vượt trội của

nó. Tuy nhiên, các thành phần hóa học gây độc hại với môi trường và độ chống già

hóa kém của PZT có thể hạn chế nó trong việc được sử dụng trong nhiều ứng dụng

với các điện cực Pt thông thường. Mặc dù các đặc tính chống già hóa của tụ điện

PZT có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng điện cực kim loại ôxít, nói

chung hiện nay các điện cực làm cho quá trình phức tạp hơn và có xu hướng tăng

dòng rò. Vì vậy, cần thiết để phát triển một loại vật liệu sắt điện mới có tính chất sắt

điện tốt hơn của PZT.

1.3. Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể và đa tinh thể

Đến những năm 1980, các phương pháp đã được phát triển để chế tạo màng

mỏng sắt điện. Màng mỏng PZT được chế tạo thành công trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si

bằng nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược

điểm riêng: i) Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD), laser xung (PLD), ii)

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) ví dụ MOCVD; iii) Phương pháp

hóa dung dịch (CSD) như sol-gel.

16

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

1.3.1. Phƣơng pháp lắng đọng laser xung (PLD) và phún xạ RF

a. Phƣơng pháp lắng đọng laser xung (PLD)

PLD là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách bắn phá một hay nhiều bia bằng chùm tia laser hội tụ công suất cao (khoảng 108W/cm3). Kỹ thuật này lần đầu tiên

được sử dụng bởi Smith và Turner vào năm 1965 để chế tạo màng mỏng bán dẫn và

điện môi và sau đó được Dijkkamp và các cộng sự sử dụng để chế tạo vật liệu siêu

dẫn ở nhiệt độ cao vào năm 1987.

Hình 1.13: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung [2].

Kỹ thuật bốc bay này đã được sử dụng cho tất cả các loại oxit, nitrit, cacbua

cũng như được sử dụng để chế tạo các hệ kim loại, thậm chí cả polymer mà vẫn

đảm bảo hợp thức hóa học của thành phần màng. Hình 1.13 mô tả sơ đồ hệ bốc bay

bằng xung laser. Bốc bay bằng xung laser là phương pháp bốc bay gián đoạn. Khi

chùm laser công suất lớn bắn lên bia thì pha hơi của vật liệu được hình thành bốc

bay một vùng mỏng của bề mặt bia. Vùng hoá hơi của bia chỉ sâu khoảng vài trăm

đến 1000 Å. Khi ấy trên bề mặt của bia hình thành một khối plasma hình ellip của pha hơi. Tốc độ đặc trưng của các phần tử bốc bay đạt giá trị khoảng 3×105 cm/s,

tương ứng với động năng 3 eV. Phương pháp PLD được biết đến như là công nghệ

chế tạo BLT phức tạp nhất và độ lặp lại không cao trên diện tích lớn khiến cho việc

khó ứng dụng công nghiệp.

17

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Ưu điểm:

- Năng suất bốc bay cao và tốc độ mọc màng nhanh.

- Màng mỏng hình thành với cấu trúc và thành phần đúng hợp thức của bia.

Nhược điểm:

- Hệ thống trang thiết bị và vận hành có giá thành cao. Để vận hành cần điện áp

tạo xung rất lớn, có thể lên tới 30 kV.

- Năng lượng xung không ổn định, suy hao trong quá trình truyền dẫn và theo

thời gian.

- Chỉ thích hợp cho các bia vật liệu xốp, cách nhiệt, hấp thụ ánh sáng mạnh, nên

chi phí bia vật liệu đắt.

- Độ dày màng không đồng đều nếu màng có kích thước lớn.

- Tia laser nguy hiểm đối với người sử dụng, đặc biệt là mắt.

b. Phƣơng pháp phún xạ RF

Hình 1.14: Nguyên lý phún xạ [2]

Phún xạ cathode là một phương pháp chế tạo màng mỏng bằng lắng đọng

pha hơi vật lý như trên Hình 1.14. Đây là kỹ thuật dựa trên nguyên lý truyền động

năng bằng cách sử dụng các ion khí hiếm năng lượng cao, hình thành nhờ sự phóng

18

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

điện từ trạng thái plasma, bắn phá lên bia vật liệu, làm cho các nguyên tử vật liệu bị

bật ra khỏi bia, lắng đọng trên bề mặt đế và hình thành lớp màng mỏng.

Ưu điểm:

- Phún xạ được nhiều loại vật liệu.

- Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt, dễ triển khai rộng

quy mô công nghiệp.

- Độ bám dính màng lên đế rất cao.

Nhược điểm:

- Phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải có

bộ làm lạnh bia.

- Tốc độ phún xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không.

- Hiệu suất về năng lượng thấp.

- Các tạp chất nhiễm từ thành chuông, trong chuông hay từ anot có thể bị lẫn

vào trong màng.

1.3.2. Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học là phương pháp sử dụng vật liệu được

chuyển sang pha hơi ngưng tụ trên đế. Trong quá trình ngưng tụ trên đế, vật liệu

tham gia các phản ứng hóa học với các chất khí được đưa vào trong buồng phản ứng

để hình thành hợp chất hóa học đúng hợp thức được yêu cầu. Đây chính là điểm

khác biệt so với phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý. Hiện nay, khoa học đã phát

triển khá nhiều phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học, ví dụ: lắng đọng pha hơi

hóa học sử dụng plasma tăng cường (PECVD); lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng

tiền chất kim loại-hữu cơ (MOCVD); lắng đọng pha hơi hóa-lý kết hợp (HPCVD).

Ưu điểm:

- Hệ thiết bị đơn giản.

- Tốc độ lắng đọng màng cao (lên đến 1µm/phút).

- Dễ khống chế hợp thức hóa học của hợp chất, có khả năng lắng đọng hợp kim

nhiều thành phần.

- Có thể tạo màng cấu trúc hoàn thiện, độ sạch cao.

19

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Nhược điểm:

- Cơ chế phản ứng phức tạp.

- Đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các trường hợp khác (thường rơi vào

khoảng 900oC - 1200oC).

- Đế và các thiết bị bên trong có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi.

- Khó tạo hình linh kiện màng mỏng thông qua kỹ thuật mặt nạ.

Nhiều năm gần đây, hợp chất hữu cơ kim loại được sử dụng rộng rãi như tiền

chất cho quá trình lắng đọng pha hơi hóa học (MOCVD). Thành công của kỹ thuật

này chủ yếu là do sự lịnh hoạt của nó và phương pháp chế tạo ở nhiệt độ thấp thì

ngày càng được quan tâm. Nhu cầu ngày càng tăng của việc chế tạo màng mỏng

ứng dụng công nghiệp mới cũng là lý do đáng kể cho sự phát triển nhanh chóng của

MOCVD. Thật vậy, có nhiều vật liệu mà không thể lắng đọng bằng phương pháp

CVD thông thường, bởi vì chúng có thể phản ứng hết hoặc không dễ bay hơi thì đều

có thể chế tạo bằng MOCVD. Điều này bao gồm kim loại và các vật liệu nhiều

thành phần khác nhau như là hợp chất bán dẫn và hợp chất liên kim loại như

cacbua, nitrua, ôxít và borua, silicua và chalcogen. Lợi thế đáng kể hơn nữa là

MOCVD cho phép sản xuất quy mô lớn, tự động hóa dễ dàng, độ bao phủ tốt và khả

năng chế tạo vật liệu siêu bền. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là phụ thuộc

nhiều vào tiền chất hữu cơ kim loại thương mại.

1.3.3. Phƣơng pháp Sol- gel

Phương pháp sol-gel đã được quan tâm từ năm 1800 để tạo gốm sứ và được

nghiên cứu rộng rãi vào đầu năm 1970, ngày nay Sol-gel được ứng dụng rộng rãi

trong khoa học đời sống. Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để

tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp (Hình 1.15). Nó được

hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc

(alkoxide precursors). Công nghệ sol-gel là công nghệ cho phép ta trộn lẫn các chất

ở quy mô nguyên tử và hạt keo để tổng hợp các vật liệu có độ sạch và tính đồng

nhất cao. Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxit hoặc

các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc

20

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

hình thành một pha mới - đó là Sol. Gel là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo

thành khung 3 chiều, pha lỏng nằm ở khoảng trống của khung 3 chiều nói trên.

Bằng phương pháp sol-gel, không những tổng hợp được các oxit siêu mịn (nhỏ hơn

10 µm), có tính đồng nhất cao, bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao mà còn

có thể tổng hợp được các tinh thể cỡ nanomet, các sản phẩm dạng màng mỏng, sợi.

Hình 1.15: Các sản phẩm của kỹ thuật sol-gel [3].

Ưu điểm:

- Có thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa

vật kim loại và màng.

- Có thể tạo màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn.

- Có thể phun phủ lên các hình dạng phức tạp.

- Có thể sản xuất được những sản phảm có độ tinh khiết cao.

- Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản để sản xuất màng có chất lượng

cao.

- Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường.

Nhược điểm:

- Sự liên kết trong màng yếu.

- Độ chống mài mòn yếu.

- Rất khó để điều khiển độ xốp.

21

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

- Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao.

- Chi phí cao đối với những vật liệu thô.

- Hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng.

Một số phương pháp phủ màng Sol-gel là: phủ nhúng (dip-coating); phủ quay

(spin-coating); phủ phun (spray-coating); phủ cuốn (roll-coating)

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp quay phủ (spin-coating)

để chế tạo màng mỏng. Phương pháp quay phủ là một trong những phương pháp

phủ màng mỏng đơn giản và ít tốn kém nhất. Đây là phương pháp có nguyên lý rất

cơ bản đó là ứng dụng tác động của lực ly tâm lên khối chất lỏng. Quá trình quay

phủ được thể hiện trên Hình 1.16.

Hình 1.16: Quá trình quay phủ [3].

Quá trình phủ màng được thực hiện qua các giai đoạn:

- Đế được đặt lên trục của một Rôtor quay với trục quay thẳng đứng vuông góc

với mặt đất và được giữ chặt bởi bơm hút chân không đồng trục với rôtor. Sau đó

nhỏ dung dịch tiền tố lên phía trên đế.

- Rôtor bắt đầu tăng tốc cho quá trình quay phủ.

- Rôtor quay đến tốc độ ổn định, tác dụng của lực ly tâm làm chất lỏng dàn đều

từ phần trung tâm của đế ra vùng mép, độ dày của màng bắt đầu giảm dần, các phân

dung dịch thừa có thể bị văng ra ngoài như hình vẽ.

22

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

- Kết thúc quá trình quay phủ, đế được ủ với nhiệt độ cao để dung dịch kết tinh

thành màng mỏng như ý muốn.

Ưu điểm:

- Chế tạo màng đơn giản và không tốn kém do không yêu cầu chân không cao,

nhiệt độ cao.

- Thời gian chế tạo nhanh.

- Màng mỏng tạo ra tương đối đồng nhất và độ dày tương đối lớn.

Nhược điểm:

- Sử dụng dung dịch tiền tố được tổng hợp được từ trước không có sẵn và đôi

khi khá đắt tiền.

- Chất lượng màng phụ thuộc nhiều vào độ nhớt, mật độ hạt của dung dịch tiền

tố.

1.4. Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ

Như đã trình bày và phân tích ở trên, màng mỏng sắt điện ngày càng thu hút sự

quan tâm rất lớn vì khả năng ứng dụng lớn trong các ứng dụng thiết bị cảm biến,

MEMS, và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không tự xóa mật độ cao. Trong nghiên cứu

này, màng mỏng PZT với công thức hóa học PbZr0.4Ti0.6O3 đóng vai trò của lớp sắt

điện. Mỗi phương pháp chế tạo màng mỏng PZT trên các đế vật liệu khác nhau đều

có các ưu điểm riêng và nhiệm vụ của các nhà khoa học là cần tìm ra giải pháp phù

hợp về điều kiện kinh tế, thời gian chế tạo và sự đơn giản trong quá trình chế tạo.

Thông thường, màng mỏng PZT được chế tạo trên đế SiO2/Si với lớp đệm điện cực

dưới Pt. Tuy nhiên, sử dụng loại đế này sẽ gây những khó khăn về quá trình hình

thành màng mỏng vì độ lệch mạng lớn giữa lớp màng chế tạo và bề mặt vô định

hình SiO2. Nghiên cứu chế tạo màng mỏng PZT bằng phương pháp dung dịch trên

đế đơn tinh thể STO, thay thế đế SiO2/Si truyền thống, sẽ giải quyết những khó

khăn trên vì độ lệch mạng giữa màng mỏng PZT và đế STO là nhỏ. Theo tra cứu,

đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên đóng góp vào việc tích hợp tụ điện sắt

điện màng mỏng PZT bằng phương pháp dung dịch trên đế đơn tinh thể tại Việt

Nam. Vì vậy, tên đề tài luận văn được xác định là:

23

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

“Tích hợp tụ điện sắt điện màng mỏng PbZr0.4Ti0.6O3 chế tạo bằng phương

pháp dung dịch trên đế đơn tinh thể”.

Trong đó, nội dung nghiên cứu trong luận văn sẽ tập trung:

- Nghiên cứu chế tạo màng mỏng Pt bằng phương pháp phún xạ trên đế

TiO2/SiO2/Si để tìm ra điều kiện tối ưu, từ đó chế tạo màng mỏng Pt trên đế đơn

tinh thể STO.

- Khảo sát và so sánh cấu trúc và tính chất của lớp màng mỏng sắt điện

PbZr0.4Ti0.6O3 trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si và đế Pt/STO.

- Tích hợp đánh giá khả năng hoạt động của các tụ điện Pt/PZT/Pt trên đế Si

và đế đơn tinh thể STO.

24

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

CHƢƠNG 2

PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT

2.1. Phƣơng pháp chế tạo điện cực dƣới TiO2/Pt

2.1.1 Chế tạo lớp TiO2

- Quy trình chế tạo lớp TiO2 trên đế SiO2/Si được thực hiện như sau: Bước 1: Đế SiO2/Si có kích thước 10×10 mm2 dày khoảng 500 µm được làm

sạch bằng rung siêu âm trong dung dịch aceton (3 phút) và dung dịch cồn (3 phút).

Sau đó, bề mặt mẫu được thổi khí Nitơ để làm sạch và làm khô.

Bước 2: Sử dụng máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (Hình 2.1) với bia TiO2. Trước khi phún xạ, áp suất nền được duy trì khoảng 10-3÷10-4 Pa. Điều kiện

phún xạ màng mỏng TiO2 được duy trì như sau: công suất phún xạ là 100 W; lưu

lượng khí 110 sccm; thời gian phún xạ là khoảng 5 phút. Với điều kiện như trên,

màng mỏng TiO2 được chế tạo có độ dày khoảng 10 nm.

Hình 2.1: Máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (ảnh tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, ĐHCN,

ĐHQGHN).

25

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

2.1.2 Chế tạo lớp Pt

a) Chế tạo lớp Pt trên đế TiO2/SiO2/Si

Sau khi chế tạo thành công màng mỏng TiO2 trên đế SiO2/Si như phần 2.1.1 thì

màng mỏng Pt được chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si, sử dụng hệ phún xạ cao áp một

chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, theo các bước sau:

Hình 2.2: Hệ phún xạ cao áp một chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.

Bước 1: Rửa sạch đế TiO2/SiO2/Si bằng dung dịch cồn 99,9% và sấy khô.

Bước 2: Phún xạ Pt trong thời gian 4 phút (tương ứng 50 nm) đối với đế STO,

cường độ dòng điện 22 mA, áp suất 6 Pa. Tuy nhiên, đối với đế TiO2/SiO2/Si là 16

phút (tương ứng 200 nm).

Bước 3: Màng mỏng Pt sau ngưng kết được xử lý nhiệt tại 550oC thời gian 15

phút trong môi trường không khí, để tăng độ bám dính của màng mỏng TiO2 cũng

như Pt lên trên đế SiO2/Si.

b) Chế tạo lớp Pt trực tiếp trên đế STO

Hình 2.3: Đế đơn tinh thể STO.

26

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Vì vật liệu STO và Pt có cùng đỉnh liên kết nên ta không cần chế tạo lớp Ti làm

lớp trung gian mà chế tạo trực tiếp Pt qua các bước cơ bản sau:

Bước 1: Sau khi được làm sạch bằng rung siêu âm dung dịch aceton (3 phút)

và dung dịch cồn (3 phút), như Hình 2.3, thì cũng được phún xạ Pt với điều kiện

như với đế Si nhưng thời gian là 16 phút nhưng không có lớp TiO2.

Bước 2: Đế STO đã được phún xạ Pt ủ ở nhiệt độ 550oC thời gian 15 phút

trong môi trường không khí (Hình 2.4).

Bước 3: Rửa sạch mẫu bằng dung dịch cồn, sau đó quay phủ lớp PZT (Hình

2.4).

Hình 2.4: Đế STO sau khi được chế tạo lớp Pt.

2.2. Phƣơng pháp chế tạo màng mỏng PZT

2.2.1. Nguyên lý của phƣơng pháp quay phủ (spin-coating).

Hình 2.5: Quá trình quay phủ (spin-coating).

27

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Quá trình quay phủ được thể hiện trên Hình 2.5. Đây là một trong những

phương pháp chế tạo màng mỏng đơn giản và ít tốn kém nhất. Đây là phương pháp

có nguyên lý rất cơ bản đó là ứng dụng tác động của lực ly tâm lên khối chất lỏng.

Ưu điểm: Chế tạo màng đơn giản và không tốn kém do không yêu cầu chân

không cao, nhiệt độ cao, thời gian chế tạo nhanh, màng mỏng tạo ra tương đối đồng

nhất và độ dày tương đối lớn.

Nhược điểm: Sử dụng dung dịch tiền tố được tổng hợp được từ trước không có

sẵn và đôi khi khá đắt tiền, chất lượng màng phụ thuộc nhiều vào độ nhớt, mật độ

hạt của dung dịch tiền tố.

2.2.2. Dung dịch tiền tố trong quá trình quay phủ

Dung dịch tiền tố chính được sử dụng hiện nay trong phương pháp dung dịch

(hay phương pháp sol-gel) thường được sử dụng làm nguyên liệu để chế tạo màng

ô-xít kim loại. Phương pháp sol-gel dựa trên cơ sở tổng hợp các hạt huyền phù

trong chất lỏng dạng keo (sol) thành một mạng lưới các phân tử bao gồm cả các

phân tử tự do và chuỗi polimer

2.2.3. Quy trình chế tạo màng mỏng PZT

Quy trình chế trên các đế tạo màng mỏng PZT (PbZr0.4Ti0.6O3)

Pt/TiO2/SiO2/Si và đế Pt/STO được mô tả chi tiết trên Hình 2.6. Sau khi kết tinh

màng mỏng PZT, cấu trúc các lớp màng mỏng thu được như trên Hình 2.7.

Hình 2.6: Sơ đồ quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm.

28

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

(b)

(a)

Hình 2.7: Mô hình đế Pt/TiO2/SiO2/Si (a) và đế Pt/STO (b) sau khi được chế tạo màng mỏng PZT.

Chi tiết của quá trình chế tạo màng mỏng PZT được thực hiện như sau:

a) Dụng cụ và hóa chất

- Đế SiO2/Si đã được chế tạo thêm lớp TiO2 và Pt; đế STO được chế tạo trực

tiếp lớp Pt trên bề mặt (phần 2.1).

- Tiền chất dung dịch PZT (PbZr0.4Ti0.6O3).

- Dung dịch acetone và dung dịch cồn.

- Máy quay phủ, máy sấy nhiệt (hot plate).

Sau khi các hóa chất và dụng cụ đã chuẩn bị sẵn sàng, màng mỏng PZT được

chế tạo sử dụng hai quy trình: Quy trình chế tạo sử dụng lò ủ nhiệt chậm và máy

sấy nhiệt.

b) Các bước tiến hành chế tạo màng PZT trên đế Si và STO khi sử dụng lò ủ

nhiệt chậm và máy sấy nhiệt.

Quy trình chế tạo từ bước 1 tới bước 4 được thực hiện trong phòng sạch để

đảm bảo chất lượng tốt nhất cho màng mỏng.

Bước 1: Đế Pt/TiO2/SiO2/Si và đế Pt/STO có kích thước 10×10 mm2 được cho

vào cốc chứa dung môi cồn rung siêu âm trong 3 phút. Sau đó, đế được sấy khô và

thổi sạch bằng khí N2.

Bước 2: Đặt đế lên trên giá đỡ của rôtor trong buồng quay phủ. Sau đó dùng

pipet nhỏ đều dung dịch PZT lên bề mặt của đế. Rôtor quay đệm với tốc độ 500

vòng/phút trong 10 giây, sau đó được tăng lên tốc độ 2000 vòng/phút trong 40 giây

để màng mỏng dàn đều và ổn định (Hình 2.8a).

29

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Bước 3: Sau khi hoàn tất quá trình quay phủ, đế tạo màng mỏng được đưa lên máy sấy ở nhiệt độ 150oC trong 1 phút và ở nhiệt độ 250oC trong 5 phút (Hình

2.8b).

Bước 4: Sau khi đã đạt độ dày mong muốn, sấy mẫu lần cuối trên máy sấy ở

430oC trong 15 phút.

Tiếp tục lặp lại từ Bước 2 để tạo màng mỏng có độ dày mong muốn.

Bước 5: Xử lý nhiệt cho màng mỏng PZT trên hai đế bằng lò ủ nhiệt chậm (Hình 2.8) ở các nhiệt độ 600oC thời gian 15 phút trong môi trường khí sạch 4N với

tỉ lệ O : N =1:4, tương tự như môi trường không khí tự nhiên (Hình 2.8c).

(b) (a)

(c)

Hình 2.8: Quy trình sol-gel trong phòng sạch: (a) quay-phủ mẫu, (b) sấy mẫu, (c) lò ủ nhiệt chậm.

30

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

2.3. Chế tạo tụ điện sắt điện

2.3.1. Hệ phún xạ điện cực trên Pt

Phún xạ cao áp một chiều

Trong phún xạ cao áp một chiều, người ta sử dụng hệ chỉnh lưu điện thế cao

áp (đến vài kV) làm nguồn cấp điện áp một chiều đặt trên hai điện cực trong chuông

chân không (Hình 2.9). Bia phún xạ chính là cathode phóng điện, tùy thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 đến vài trăm cm2. Cơ chế hình

thành plasma giống cơ chế phóng điện lạnh trong khí kém. Điện tử thứ cấp phát xạ

từ cathode được gia tốc trong điện trường cao áp, chúng ion hóa các nguyên tử khí, do đó các ion khí Ar+ bị hút về cathode, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tử

ra và ngưng kết trên đế.

Hình 2.9: Phún xạ cao áp một chiều.

2.3.2. Cấu trúc tụ điện sắt điện

a) Chuẩn bị

Màng mỏng PZT sau khi được kết tinh ở nhiệt độ thích hợp cần được phủ

điện cực lên bề mặt nhằm phục vụ cho việc khảo sát các tính chất điện. Điện cực Pt

được chế tạo như Hình 2.10.

31

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

(b)

(a)

Hình 2.10: Cấu trúc tụ điện sắt điện (a) Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si và (b) Pt/PZT/Pt/STO.

Để có được điện cực như Hình 2.10, công nghệ được sử dụng là dán mặt nạ lên

trên bề mặt của mẫu. Như vậy sau khi phún xạ chỉ những diện tích màng tiếp xúc

với lỗ trống trên mặt nạ mới có vật liệu phún xạ ở trên. Kích thước của các điện cực

chế tạo là điện cực tròn có các đường kính là 100, 200 và 500 m.

Hình 2.11: Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực.

b) Điều kiện ngưng kết điện cực Pt

Các thông số chế tạo điện cực Pt được trình bày trong bảng 2.1 dưới đây.

Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ.

Nguồn phún xạ Áp suất chân không Công suất (W) Thời gian ( phút)

DC 100 10 cơ sở ( Pa) 10-1

32

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

2.4. Thiết bị khảo sát và đánh giá tụ điện sắt điện.

2.4.1. Thiết bị nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất để nghiên cứu cấu

trúc tinh thể của các vật liệu. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể xác định được các

pha tinh thể, đồng thời có thể sử dụng định tương đối về lượng pha và xác định kích

thước tinh thể. Tia X là sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 10 nm đến 100 pm.

Tia X có khả năng xuyên qua nhiều vật chất nên thường được dùng trong y tế,

nghiên cứu tinh thể. Xét chùm tia X có hai tia tới hai mặt phẳng nguyên tử liền kề

nhau cách nhau một khoảng là d, góc tạo bởi chùm tia tới với mặt phẳng nguyên tử

là θ. Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng

đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu

xạ của các tia X. Khi đó các tia phản xạ tương ứng sẽ có hiệu đường đi (quang

trình) bằng:

Để có cực đại nhiễu xạ trên phim ảnh thì hiệu đường đi này phải thỏa mãn điều

kiện bằng số nguyên lần của bước sóng, nghĩa là:

Với n là các số nguyên, n = 1,2,3….

Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể.

Công thức trên là công thức Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt

tinh thể (Hình 2.12). Biểu thức này cho thấy rằng với một mạng tinh thể có khoảng

cách d giữa các mặt tinh thể cố định và chùm tia X có bước sóng không đổi, sẽ tồn

33

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

tại nhiều giá trị góc thỏa mãn định luật Bragg. Kết quả là trên phổ nhiễu xạ sẽ

xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ tại các góc khác nhau.

Hình 2.13 là ảnh thiết bị nhiễu xạ tia X D8 Advance. Cấu tạo của một thiết bị

nhiễu xạ kế tia X gồm các phần sau: ống phát tia X, giác kế, bộ thu tia X, phần điều

khiển điện tử có ghép nối máy tính. Phổ nhiễu xạ tia X, xác định cấu trúc tinh thể và

định hướng ưu tiên của màng mỏng PZT được thực hiện trên hệ này.

Hình 2.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU.

2.4.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ

phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng của chùm tia

điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến (Hình 2.14).

Người ta tạo ra một chùm điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này quét theo

hàng và theo cột trên diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu cần nghiên cứu. Chùm điện

tử chiếu vào mẫu sẽ kích thích mẫu phát ra điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược,

tia X. Mỗi loại điện tử, tia X thoát ra mang thông tin về mẫu phản ánh 1 tính chất

nào đó ở chỗ tia điện tử tới đập vào mẫu.

34

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Ví dụ: khi điện tử tới chiếu vào chỗ lồi trên mẫu thì điện tử thứ cấp phát ra

nhiều hơn khi chiếu vào chỗ lõm. Căn cứ vào lượng điện tử thứ cấp nhiều hay ít, ta

có thể biết được chỗ lồi hay lõm trên bề mặt mẫu. Ảnh SEM được tạo ra bằng cách

dùng một ống điện tử quét trên màn hình một cách đồng bộ với tia điện tử quét trên

mẫu.

Hình 2.14: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM.

2.4.3. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Hình 2.15 mô tả nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM:

- Khi đầu dò quét gần bề mặt mẫu, sẽ xuất viện lực VandeWaals giữa các

nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn.

- Do sự mấp mô của bề mặt mẫu, cần quét sẽ rung động theo trục z, chùm

laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó và được ghi lại

bởi photodetector và chuyển thành tín hiệu hiệu điện thế.

Tín hiệu hiệu điện thế được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng có tính

chất địa hình của mẫu.

⇒ Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho

hình ảnh cấu trúc bề mặt của vật mẫu (Hình 2.15a).

35

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

- Phổ lực AFM là phổ phân bố lực theo khoảng cách với thời gian hồi đáp cỡ 10-12 s, độ chính xác tới 10-12 N và độ phân giải về khoảng cách tới 0,1 nm. Các phổ

này cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc nguyên tử của bề mặt cũng như các liên

kết hóa học (Hình 2.15b).

(a) (b)

Hình 2.15: (a) Hình ảnh chụp khi đo phổ lực AFM, (b) Sự biến đổi của lực tương tác giữa mũi

dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách.

2.4.4. Thiết bị đo điện trễ và dòng rò

2.4.4.1. Nguyên lý phép đo độ phân cực điện

Người ta có thể đo độ phân cực điện của vật liệu sắt điện dựa trên mạch

Sawyer - Tower như mô tả trên Hình 2.16. Trong mạch điện này mẫu vật liệu sắt

điện được coi như một tụ điện, thường có giá trị Cx nhỏ hơn nhiều so với giá trị của

một tụ điện chuẩn CR để đảm bảo điện thế đặt vào mạch VS phân bố chủ yếu giữa

hai cực của mẫu đo. Giả sử có một lượng điện tích Q phân bố trên bề mặt với diện

tích S của mẫu, do các tụ là nối tiếp nên điện thế VR đặt vào tụ điện chuẩn CR là:

Với là độ dịch chuyển. Đối với vật liệu sắt điện P lớn hơn nhiều so

với phần đóng góp nên biểu thức trên được biểu diễn thành:

36

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Như vậy thông qua việc đo giá trị điện áp VR người ta có thể đo được độ phân

cực điện P của vật liệu sắt điện.

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower.

2.4.4.2. Nguyên lý phép đo dòng rò

- Dòng rò cũng là một trong những tính chất quan trọng khí đánh giá tính chất

điện của một loại màng mỏng sắt điện. Dòng rò của một chất điện môi thì phụ thuộc

tuyến tính vào điện áp đặt lên nó. Hình 2.17 thể hiện đường cong I- V điển hình cho

một loại điện môi, mà trên đó chúng ta có thể chia đường cong đó thành 3 vùng.

Trong vùng thứ nhất, mật độ dòng phụ thuộc tuyến tính vào điện thế ngoài, và như

vậy, đặc trưng I- V tuân theo định luật Ohm. Vùng thứ 2 bị chi phối bởi hiệu ứng

Pool- Frankel và Schottky. Dòng điện ở vùng thứ 3 có liên hệ mật thiết đến sự đánh

thủng điện môi hoặc dòng chui ngầm Fowler- Nordheim.

Hình 2.17: Đặc trưng dòng rò của một vật liệu điện môi.

37

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

2.4.4.3. Hệ đo điện trễ Radiant Precision LC 10

Để đo đặc trưng điện trễ và dòng rò của màng mỏng PZT sử dụng các điện cực

thuần hay lai hóa, hệ đo đường cong điện trễ Radiant Precision LC 10 (Hình 2.18)

đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro-nano (Trường Đại học Công nghệ) được

dùng để khảo sát. Các phần chính của hệ đo bao gồm:

- Bộ phận điện tử Precision LC và phần cao áp Precision High Voltage Interface

gồm các mạch điện tử điều khiển và xử lý, ghép nối với bộ khuếch đại cao áp HVA.

- Hệ đầu dò và kính hiển vi quang học: dùng để đo trong trường hợp mẫu dạng

màng.

- Máy tính và phần mềm Vision: cho phép điều khiển hệ đo, thực hiện quá trình

đo mẫu một cách tự động, thu nhận và xử lý số liệu bằng máy tính.

Ngoài ra hệ máy còn có một bơm hút chân không để giữ mẫu cố định trong quá

trình đo và một số đầu đo đặc biệt để đo mẫu khối.

Hình 2.18: Thiết bị đo đường cong điện trễ và dòng rò Radiant Precision LC 10.

38

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Chế tạo màng mỏng Pt trên đế TiO2/SiO2/Si

3.1.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể

Trong nghiên cứu trước đây, chúng tôi sử dụng trực tiếp đế thương mại có cấu

trúc Pt/TiO2/SiO2/Si, được mua từ công ty Tanaka, Nhật Bản [3]. Tuy nhiên trong

nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo các đế màng mỏng Pt sử dụng thiết bị phún xạ

BOC Edwards và hệ Jeol JFC-1200. Hình 3.1 chỉ ra ảnh hưởng của công suất phún

xạ lên cấu trúc tinh thể của màng mỏng Pt được chế tạo bằng thiết bị BOC Edwards.

Trong cấu trúc đế Pt/TiO2/SiO2/Si được chế tạo, lớp Si dày khoảng 500 m, lớp

SiO2 dày khoảng 500 nm, lớp TiO2 dày khoảng 10 nm đóng vai trò làm tăng độ bám

dính của màng mỏng Pt lên bề mặt SiO2. Điều kiện chế tạo các màng mỏng Pt được

duy trì với lưu lượng khí Ar khoảng 110 sccm, áp suất phún xạ khoảng 0,2 Pa, thời

gian chế tạo khoảng 20 phút, đến được giữ tại nhiệt độ phòng, và công suất phún xạ

thay đổi từ 50 W đến 125 W.

Từ Hình 3.1, chúng ta có thể thấy rằng khi công suất phún xạ tăng từ 50 W đến

75 W, cường độ đỉnh Pt(111) tại vị trí 2 = 39,8o có dấu hiệu tăng nhẹ. Khi tăng

công suất phún xạ từ 75 W đến 100 W thì cường độ đỉnh Pt(111) tăng đột ngột lên

gấp khoảng 5 lần. Tiếp tục tăng công suất phún xạ lên 125 W thì cường độ đỉnh

Pt(111) lại giảm đi rõ ràng. Kết quả thu được có thể giải thích là do khi công suất

tăng, độ dày của màng tăng mạnh trong cùng một thời gian phún xạ. Chính điều này

dẫn tới tăng số mặt nhiễu xạ của màng mỏng, tức là tăng cường độ nhiễu xạ. Tuy

nhiên khi công suất quá cao và phún xạ trong thời gian dài, nhiệt độ chế tạo sẽ tăng

mạnh nên có thể thay đổi sắp xếp tinh thể của màng mỏng và làm giảm cường độ

đỉnh Pt(111). Do đó, với điều kiện chế tạo hiện tại, chúng tôi kết luận công suất

phún xạ tối ưu là 100 W khi sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards.

39

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Hình 3.1: Ảnh hưởng của công suất lên cấu trúc màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si.

Khi chế tạo màng mỏng Pt sử dụng thiết bị BOC Edwards, thông thường mức

chân không trước khi phún xạ cần đạt 10-3 10-4 Pa. Ngoài yếu tố thời gian khoảng

vài tiếng để đạt mức chân không này, thì thiết bị phún xạ BOC Edwards có chi phí

rất cao và hoạt động phức tạp. Trong nghiên cứu này, chúng tôi cũng chế tạo màng

mỏng Pt trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ Jeol JFC-1200, không sử dụng hệ chân

không được tạo từ hệ bơm turbo. Hệ đơn giản vì chỉ cần đạt mức chân không

khoảng 0,1 Pa là có thể phún xạ màng mỏng Pt mong muốn.

Hình 3.2 là so sánh kết quả XRD của màng mỏng Pt được chế tạo trên đế

TiO2/SiO2/Si, trong đó (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và

(c) sử dụng hệ Jeol JFC-1200. Chúng ta có thể thấy rằng chất lượng tinh thể của đế

Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ Jeol JFC-1200 có kém hơn so với đế Pt thương mại và

Pt sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, nhưng thiết bị có giá thành thấp hơn rất nhiều

cũng như không đòi hỏi hệ bơm chân không cao cấp. Do đó, chúng tôi sử dụng hệ

phún xạ Jeol JFC-1200 để chế tạo lớp Pt trong tích hợp tụ điện sắt điện ở phần tiếp

theo.

40

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Hình 3.2: So sánh chất lượng màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b)

sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol JFC-1200.

3.1.2. Khảo sát hình thái bề mặt

Hình 3.3 chỉ ra kết quả so sánh ảnh AFM của ba loại đế Pt như đề cập ở trên. Ở

đây, chúng ta cũng quan sát thấy đế Pt thương mại có các hạt đồng đều hơn và ít

xốp hơn so với các đế Pt tự chế tạo.

(a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol JFC-1200.

Hình 3.3: So sánh hình thái bề mặt từ ảnh AFM của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si:

Để đánh giá độ dày của lớp Pt sử dụng hệ Jeol JFC-1200, chúng tôi quan sát

ảnh SEM cắt dọc của mẫu Pt/TiO2/SiO2/Si như trên Hình 3.4. Có thể thấy rằng độ

41

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

dày của lớp Pt chế tạo vào khoảng 200 nm (ứng với thời gian phún xạ là 16 phút,

công suất phún xạ 50 W), màng mỏng Pt được hình thành chặt và khá đồng đều.

Hình 3.4: Ảnh SEM cắt dọc của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ

Jeol JFC-1200.

3.2. Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

3.2.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/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

42

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

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

43

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

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

44

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

(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

7Pb có định hướng ưu tiên (111) đóng vai trò là lớp mầm cho sự hình thành cấu trúc

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-

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].

3.2.2. Hình thái bề mặt màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si Để kiểm tra hình thái bề mặt màng mỏng PZT được chế tạo tại 600oC trên đế

Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200, chúng tôi tiến hành quan sát

ảnh SEM như được chỉ ra trên Hình 3.7.

(a) (b)

Hình 3.7: Ảnh SEM màng mỏng PZT (ủ 600oC) trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol

JFC-1200: (a) phóng đại 30,000 lần, (b) phóng đại 150,000 lần.

45

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Vì màng mỏng PZT được chế tạo bằng phương pháp dung dịch nên khả năng

hình thành màng cần được đánh giá chi tiết ở cả mức độ phóng đại nhỏ 30,000 lần

(Hình 3.7a) và 150,000 lần (Hình 3.7b). Có thể thấy rằng màng mỏng PZT chế tạo

trên đế Pt sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 có bề mặt trơn tru, không bị nứt gãy,

các biên hạt hình thành rõ ràng. Hạt tinh thể lớn nhất có kích thước khoảng 150 nm,

và hạt nhỏ nhất có kích thước khoảng 30 nm.

3.2.3. Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

Cấu trúc của tụ điện sắt điện được hình thành như trên hình 3.8. Trong cấu

trúc này, phần chế tạo điện cực đáy Pt/TiO2/SiO2/Si và lớp sắt điện PZT đã được

khảo sát chi tiết như ở trên. Lớp điện cực trên Pt có độ dày khoảng 100 nm cũng

được chế tạo từ việc sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200. Diện tích tròn của các tụ

điện được tạo hình từ mặt nạ kim loại có các lỗ tròn đường kính 100, 200, 500 μm

như đã trình bày ở chương 2 phần thực nghiệm.

Hình 3.8: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si.

a. Trƣớc khi ủ điện cực trên Pt

Để đánh giá khả năng hoạt động của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si,

chúng tôi tiến hành đo đặc trưng điện trễ độ phân cực phụ thuộc vào điện trường (P-

E: polarization – electric field) và đặc trưng dòng rò của vật liệu sắt điện phụ thuộc

thời gian (I-t) như lần lượt chỉ ra trên Hình 3.9 và Hình 3.10. Trong trường hợp này,

điện cực trên Pt(100 nm), tương ứng với thời gian phún xạ 8 phút, chưa được ủ

nhiệt. Đối với đặc trưng điện trễ P-E, tụ điện sắt điện được tác dụng hiệu điện thế

46

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

dạng sin có biên độ thay đổi từ 1V đến 5 V, tương ứng với điện trường thay đổi từ

50kV/cm đến 250 kV/cm vì độ dày của màng mỏng PZT khoảng 200 nm.

Hình 3.9: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

trước khi ủ điện cực Pt trên.

Hình 3.10: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước khi ủ điện cực Pt trên.

Hình 3.9 cho thấy khi điện thế thay đổi từ 1V đến 3 V, đặc trưng trễ chưa xuất

hiện, nhưng khi điện thế tăng lên 4V và 5 V thì đặc trưng điện trễ bắt đầu xuất hiện.

Điều này có thể được giải thích là do quá trình phún xạ điện cực trên Pt ở nhiệt độ

phòng không thể phá vỡ lớp ôxít chì PbO thường xuất hiện ở bề mặt PZT. Chính

47

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

lớp này làm giảm điện trường tác dụng lên lớp sắt điện PZT, và dẫn tới không đủ

năng lượng để quay và lật các phân cực điện trong vật liệu sắt điện. Hình 3.10 cho

thấy đặc trưng dòng rò phụ thuộc vào thời gian (I-t) khi điện thế tác dụng thay đổi

từ 1V đến 5 V. Có thể thấy xu hướng tăng dòng rò khá rõ rệt khi điện trường tác dụng lên lớp sắt điện tăng. Dòng rò lớn nhất xuất hiện vào khoảng 1,2×10-5 A, khi

điện thế tác dụng là 5 V, hay điện trường là 250 kV/cm. Giá trị dòng rò khá lớn này

cần được cải thiện thông qua việc ủ điện cực hoặc cải thiện chất lượng màng mỏng

sắt điện PZT.

b. Sau khi ủ điện cực trên Pt

Để cải thiện đặc trưng P-E và I-t của tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, quy trình ủ tại 450oC, trong môi trường không khí sạch, thời gian 15 phút được thực hiện để

cải thiện lớp tiếp xúc giữa điện cực trên Pt và PZT.

Hình 3.11: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

sau khi ủ điện cực Pt trên.

Kết quả khảo sát sau khi ủ được chỉ ra trên Hình 3.11 và Hình 3.12. Từ đặc

trưng P-E trên Hình 3.11 có thể thấy rằng đường cong điện trễ có xu hướng ổn định

48

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

hơn so với trước khi ủ (Hình 3.9) tại các điện thế tác dụng 1 V, 2 V và 4 V, nhưng

có xu hướng suy giảm tính chất sắt điện tại 3 V và 5 V.

Hình 3.12: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si sau khi ủ điện cực Pt trên.

Đặc trưng dòng rò I-t trên Hình 3.12 cho thấy dòng rò có xu hướng giảm rõ rệt, giá trị dòng rò lớn nhất là khoảng 5×10-8 A tại điện thế 10 V, thấp hơn gần 3 bậc so

với trước khi ủ điện cực (Hình 3.10). Từ những kết quả này có thể nhận định là quy

trình ủ có hiệu ứng rõ rệt trong việc đánh thủng lớp PbO cũng như ổn định cấu trúc

tụ điện Pt/PZT/Pt hơn.

3.3. Khảo sát tính chất của tụ điện Pt/PZT/Pt trên đơn tinh thể STO(111)

3.3.1. Cấu trúc tinh thể đế Pt/STO(111)

Việc chế tạo màng mỏng Pt trên đế SiO2/Si với lớp TiO2 tăng khả năng bám

dính của Pt trên bề mặt SiO2 như đã trình bày trong phần 3.1 sẽ luôn gặp phải khó

khăn cốt lõi trong việc thu được lớp màng mỏng Pt có định hướng ưu tiên (111).

Điều này là bởi vì lớp SiO2 có cấu trúc vô định hình, nên việc sắp xếp định hướng

(111) của cả lớp TiO2 và lớp Pt(111) gặp nhiều khó khăn do độ lệch mạng rất lớn.

Bên cạnh đó, đế đơn tinh thể STO(111) cũng thuộc vào họ vật liệu có cấu trúc

perovskite nên độ lệch mạng với màng mỏng Pt(111) hay PZT(111) sẽ nhỏ. Đây

chính là ưu thế để nâng cao chất lượng của màng mỏng PZT khi sử dụng đế đơn

49

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

tinh thể STO(111) nhằm thay thế đế SiO2/Si. Tuy nhiên có một lưu ý là giá thành

của các đế đơn tinh thể như STO, LAO (LaAlO3) hay MgO, thường cao hơn nhiều

so với đế đa tinh thể dạng SiO2/Si. Do đó, cần có sự bù trừ và hài hòa giữa việc lựa

chọn đế đơn tinh thể STO(111) và đế SiO2/Si trong các ứng dụng tụ điện sắt điện

nếu được thương mại hóa.

Hình 3.13 là kết quả nhiễu xạ tia X của màng mỏng Pt được chế tạo trên đế đơn

tinh thể STO(111), sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200. Ở đây độ dày lớp Pt đáy

được khống chế khoảng 50 nm (tương ứng với thời gian phún xạ 5 phút), nhằm duy

trì ưu thế mọc định hướng từ đế STO(111), vì nếu chế tạo quá dày (ví dụ 200 nm)

như tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, có thể làm giảm ưu thế mọc định hướng do

thiết bị phún xạ Jeol JFC-1200 có chân không thấp và quá trình ngưng kết thực hiện

ở nhiệt độ phòng.

Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể STO(111).

Từ Hình 3.13 có thể thấy màng mỏng Pt với định hướng (111) đã được hình

thành, với cường độ khá thấp là do màng mỏng có độ dày chỉ 50 nm. Tuy nhiên,

ngoài đỉnh Pt(111) vẫn còn xuất hiện một số đỉnh Pt có định hướng khác. Những

định hướng không mong muốn này cần được khắc phục thông qua quá trình tối ưu

50

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

và khảo sát việc thay đổi công suất phún xạ, môi trường phún xạ, hay quy trình xử

lý nhiệt sau phún xạ.

3.3.2. Hình thái bề mặt của màng mỏng Pt trên đế đơn tinh thể STO(111)

Hình 3.14 là kết quả quan sát ảnh SEM của bề mặt Pt trên đế đơn tinh thể

STO(111) ở độ phóng đại 75,000 lần.

Hình 3.14: Ảnh SEM của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể STO(111), sử dụng hệ

phún xạ Jeol JFC-1200.

Hình 3.15: Ảnh AFM đế của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể STO(111), sử dụng

hệ phún xạ Jeol JFC-1200.

51

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Có thể thấy bề mặt màng rất nhẵn và không thấy biên hạt rõ ràng, do bề mặt

màng mỏng Pt(50 nm) hoàn toàn đồng nhất với bề mặt đơn tinh thể STO(111). Điều

này có nghĩa là quá trình hình thành định hướng (111) thuận lợi hơn nhiều khi sử

dụng đế STO(111). Để kiểm tra độ nhám của bề mặt Pt(111), chúng tôi tiến hành

khảo sát ảnh AFM như chỉ ra trên Hình 3.15. Từ kết quả khảo sát cho thấy, độ nhám

của màng rất nhỏ với Ra vào khoảng 0,122 nm. Chính những yếu tố này đã góp

phần cải thiện tính chất điện rõ rệt như sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.

3.3.3. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/STO(111)

Hình 3.16: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111).

Sau khi chế tạo thành công màng mỏng Pt(50 nm) trên đế đơn tinh thể

STO(111), chúng tôi tiến hành ngưng kết màng mỏng PZT (200 nm) với điều kiện

hoàn toàn giống như trong tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, để dễ dàng so sánh vai

trò của các đế ngưng kết trong quá trình kết tinh màng mỏng PZT. Hình 3.16 cho

thấy phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111) có cấu trúc đa tinh thể, tức là không chỉ định hướng theo hướng (111)

và còn xuất hiện các định hướng không mong muốn (100) và (110). Vì phương

pháp chế tạo màng mỏng PZT là phương pháp dung dịch, nên việc khống chế mọc

định hướng màng mỏng PZT cần được khảo sát chi tiết theo độ dày, cũng như quy

52

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

trình ủ như nhiệt độ và môi trường ủ. Kết quả của cấu trúc đa tinh thể PZT (Hình

3.16) cũng có một phần là do cấu trúc đa tinh thể của màng mỏng Pt (Hình 3.13),

tức là tối ưu lớp Pt cũng rất quan trọng.

3.3.4. Hình thái bề mặt của màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111)

Hình 3.17 và Hình 3.18 chỉ ra ảnh SEM và AFM của bề mặt PZT được chế tạo

trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111). Từ kết quả ảnh SEM có thể thấy rằng, bề mặt

PZT có hình thành các biên hạt rõ ràng, thể hiện màng mỏng có cấu trúc đa tinh thể,

phù hợp với kết quả đo nhiễu xạ tia X trên Hình 3.16. Độ nhám lớn nhất của màng

mỏng PZT là khoảng 2 nm như trong ảnh AFM.

Hình 3.17: Ảnh SEM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111).

Hình 3.18: Ảnh AFM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111).

53

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

3.3.5 Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

Tương tự như phần tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, chúng tôi chế tạo

tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111) có cấu trúc như Hình 3.19. Trong cấu trúc này lớp điện

cực đáy Pt có độ dày chỉ 50 nm, khác với độ dày 200 nm của tụ điện Hình 3.8. Quy

trình và điều kiện chế tạo các lớp màng mỏng trong cấu trúc của hai tụ điện khá

giống nhau, chỉ trừ đế và độ dày lớp điện cực đáy Pt.

Hình 3.19: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111).

a. Đặc trƣng điện trễ của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

Hình 3.20 và Hình 3.21 là kết quả đo đặc trưng điện trễ P-E của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) trước và sau khi ủ nhiệt tại 450oC, môi trường không khí trong

thời gian 15 phút, như đã phân tích trong phần kết quả tụ điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si.Kết quả đo được thực hiện trên các tụ điện có diện tích tròn

đường kính 500 m, điện thế tác dụng thay đổi từ 1 V đến 5 V, để dễ dàng so sánh

với các kết quả P-E thu được trên Hình 3.9 và Hình 3.11. Từ kết quả trên Hình 3.20

có thể thấy rằng, đặc trưng điện trễ P-E thể hiện rất rõ ràng, ngay cả khi điện thế tác

dụng chỉ khoảng 2 V. Khi điện thế tăng lên 3 V, đường điện trễ đã thể hiện đặc tính

bão hòa rõ ràng, có tính đối xứng cao. Độ phân cực dư (Pr) khi điện trường bằng không thu được là khoảng 38 C/cm2 ứng với điện thế tác dụng là 5 V (hay điện

trường là 250 kV/cm). Giá trị này lớn hơn rất nhiều so với Pr = 5 C/cm2 của tụ

điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si như trên Hình 3.9. Sự cải thiện rõ ràng về tính chất sắt

điện của tụ điện sắt điện cho thấy vai trò hỗ trợ mọc định hướng của đế đơn tinh thể

STO(111) so với đế SiO2/Si. Ngoài ra, kết quả này cũng khá phù hợp với kết quả

54

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

phân tích nhiễu xạ tia X trên Hình 3.6 và Hình 3.16 khi so sánh hai tụ điện, ở đó

cường độ của đỉnh PZT(100) chiếm ưu thế trong trong tụ điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si mà có thể làm cho tính chất của màng mỏng PZT giảm đi

rõ rệt.

Từ Hình 3.20, chúng tôi cũng xác định lực kháng điện 2Ec thay đổi từ khoảng

140 kV/cm tương ứng với điện thế tác dụng 2 V đến khoảng 180 kV/cm tương ứng

với điện thế tác dụng 5 V.

Hình 3.20: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

trước khi ủ điện cực Pt trên.

Tương tự như phần khảo sát tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, Hình 3.21 cho

thấy ảnh hưởng của quá trình ủ điện cực trên Pt ảnh hưởng rõ rệt đến đường cong

điện trễ P-E của tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111). Có thể ước tính giá trị Pr = 25 C/cm2 và 2Ec = 100 kV/cm sau khi ủ, trong đó cả Pr và 2Ec đều nhỏ hơn rõ rệt so

với kết quả thu được trên Hình 3.20. Tuy nhiên, mức độ đối xứng của các đường

điện trễ cải thiện hơn sau khi ủ, và tính điện trễ thể hiện ngay cả khi điện thế tác

dụng là 1 V ở trên Hình 3.21. Kết quả này là minh chứng rõ ràng cho hiệu quả ủ

nhiệt cải thiện tiếp xúc giữa điện cực trên Pt và lớp sắt điện PZT, từ đó nâng cao

được tính chất của màng mỏng sắt điện.

55

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Hình 3.21: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

sau khi ủ điện cực Pt trên.

b. Đặc trƣng dòng rò của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

Đặc trưng dòng rò I-t của tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111) cũng được đo trước và

sau khi ủ thực hiện quy trình ủ điện cực. Kết quả thu được chỉ ra trên Hình 3.22 và

Hình 3.23.

Hình 3.22: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/STO(111) trước khi ủ điện cực Pt trên.

56

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

Trước khi ủ điện cực, dòng rò còn khá cao khoảng 2×10-4 A và chưa ổn định

khi thời gian tăng, ứng với trường hợp điện thế tác dụng là 5 V, như trên Hình 3.22. Tuy nhiên, sau khi ủ, dòng rò đã giảm xuống khoảng 1×10-5 A ứng với điện thế tác

dụng 5 V. Kết quả này cũng minh chứng cho quy trình ủ điện cực là cần thiết để ổn

định bề mặt tiếp xúc và làm giảm dòng rò, nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của

thiết bị, đặc biệt giảm tiêu hao năng lượng hao phí khi thiết bị ở trạng thái nghỉ.

Hình 3.23: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/STO(111) sau khi ủ điện cực Pt trên.

57

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

KẾT LUẬN

1. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo thành công màng mỏng Pt trên đế

TiO2/SiO2/Si sử dụng thiết bị phún xạ BOC Edwards và Jeol JFC-1200, nhằm thay

thế đế Pt thương mại. Kết quả phân tích XRD và quan sát hình thái bề mặt AFM

cho thấy chất lượng màng mỏng Pt sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 có chất

lượng kém hơn đế thương mại, nhưng có công nghệ chế tạo đơn giản chỉ cần chân

không ở mức 0,1 Pa và có thể chủ động khi tích hợp tụ điện sắt điện hoặc bộ nhớ sắt

điện theo cấu trúc mong muốn. Kết quả thu được cho thấy, màng mỏng Pt được chế

tạo có định hướng ưu tiên (111) và có hình thái bề mặt xếp chặt.

2. Khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, đặc trưng điện trễ P-E và đặc

trưng dòng rò I-t của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. Kết quả phân tích

XRD cho thấy màng mỏng PZT có định hướng (111) và (100) được hình thành rõ

ràng, hình thái bề mặt hình thành các biên hạt với kích thước lớn nhất khoảng 150

nm và nhỏ nhất khoảng 30 nm. Mặc dù đặc trưng điện trễ của tụ điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si chưa bão hòa cũng như đạt được mức độ phân cực dư cao, nhưng dòng rò có giá trị khá nhỏ khoảng 10-7 A, mà có thể so sánh được với màng

mỏng PZT chế tạo trên đế Pt thương mại. Ở đây, hiệu ứng ủ điện cực trên Pt cũng

cho thấy tính hiệu quả khi cải thiện lớp tiếp xúc giữa Pt và PZT để nâng cao khả

năng hoạt động của tụ điện.

3. Đã cải thiện tính chất của tụ điện sắt điện dạng Pt/PZT/Pt thông qua sử dụng

đế đơn tinh thể STO(111) thay thế cho đế SiO2/Si truyền thống, từ quan điểm mọc

tinh thể theo cơ chế định hướng. Tuy nhiên, kết quả phân tích XRD cho thấy, màng

mỏng Pt với độ dày 50 nm hình thành trên đế STO(111) không hoàn toàn theo định

hướng (111), nhưng bề mặt màng rất phẳng và không quan sát được biên hạt. Từ kết

quả quan sát ảnh AFM cho thấy độ nhám của màng mỏng Pt/STO(111) chỉ khoảng

0,122 nm.

4. Tích hợp thành công tụ điện sắt điện có cấu trúc Pt/PZT/Pt/STO. Kết quả

phân tích XRD cho thấy màng mỏng PZT trên đế Pt/STO(111) có định hướng ưu

58

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

tiên cả theo phương (111) và (100), tuy nhiên định hướng (100) yếu hơn so với

trường hợp tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. Kết quả quan sát SEM và AFM cho

thấy màng mỏng PZT hình thành có biên hạt rõ ràng và độ nhám còn khá lớn. Đặc trưng điện trễ P-E cho thấy độ điện dư Pr = 38 C/cm2 và lực kháng điện 2Ec = 180

kV/cm khi điện thế tác dụng là 5 V. Giá trị này có giảm đi khi tiến hành quy trình ủ điện cực trên, khi đó Pr = 25 C/cm2 và 2Ec = 100 kV/cm ứng với điện thế tác dụng là 5 V. Dòng rò cũng giảm từ 2×10-4 A xuống 1×10-5 A, tương ứng với điện thế tác

dụng 5 V, sau khi ủ.

5. Sử dụng đế đơn tinh thể STO(111) trong việc tích hợp tụ điện Pt/PZT/Pt đã

cho thấy hiệu ứng rõ ràng. Chất lượng màng mỏng PZT với độ điện dư cao và dòng

rò khá rõ có thể ứng dụng trong bộ nhớ sắt điện FeRAM hay các sensor áp điện

dạng MEMS/NEMS. Tuy nhiên giá thành của đế đơn tinh thể STO(111) thường cao

gấp nhiều lần đế Si truyền thống, nên nếu được thương mại hóa, cần có sự bù trừ

hài hòa giữa tính năng thiết bị và giá thành chế tạo.

59

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. V.T. Dung, V.T.H. Trang, N.V. Dũng, T.V. Dũng, N.Q. Hòa, Đ.H. Minh,

B.N.Q Trình (20015), “Khảo sát chế tạo màng mỏng nano LaNiO3 trên lá

Al thay thế đế Si trong tích hợp tụ điện sắt điện”, Hội nghị Vật lý Kỹ thuật

và Ứng dụng toàn quốc lần 4, 13-16 tháng 10, Hà Nội, Việt Nam.

2. Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý và kỹ thuật màng mỏng, Nhà xuất bản Đại

học Quốc gia Hà Nội, tr. 57-63.

3. Nguyễn Huy Tiệp (2013), Nghiên cứu tính chất của màng mỏng PZT cấu trúc

nano chế tạo bằng phương pháp dung dịch định hướng ứng dụng cho bộ

nhớ sắt điện, Luận văn thạc sĩ Vật liệu và Linh kiện nano, Đại học Công

nghệ - ĐHQGHN.

Tiếng Anh

4. Baek S.H., Park J., Kim D.M., Aksyuk V., Das R.R., Bu S.D., Felker D.A.,

Lettieri J., Vaithyanathan V., Bharadwaja S.S.N., Bassiri-Gharb N., Chen

Y.B., Sun H.P., Folkman C.M., Jang H.W., Kreft D.J., Streiffer S.K.,

Ramesh R., Pan X.Q., Trolier-McKinstry S., Schlom D.G., Rzchowski M.S.,

Blick R.H., Eom C.B. (2011), “Giant piezoelectricity on Si for hyperactive

MEMS”, Science, 334, p. 958.

5. Burr G.W., Kurdi B.N., Scott J.C., Lam C.H., Gopalakrishnan K., Shenoy R.S.

(2008), “Overview of candidate device technologies for storage-class

memory”, IBM J.Res. & Dev, 52, pp. 449-464.

6. Choi K.J., Biegalski M., Li Y.L, Sharan A., Schubert J., Uecker R., Reiche P.,

Chen Y.B., Pan X.Q., Gopalan V., Chen L.Q., Schlom D.G., Eom C.B.

(2004), “Enhancement of ferroelectricity in strained BaTiO3 thin films”,

Science, 306, p. 1005.

60

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

7. Cimallam V., Pezoldt J., Armbacher O. (2007), “Group III nitride and SiC based

MEMS and NEMS: material properties, technology and applications”, J.

Phys.D: Appl. Phys, 40(20), p. 6386.

8. Damjanovic D. (2010), “A morphotropic phase boundary sytem based on

polarization rotation and polarization extension", App. Phys. Lett, 97(6), p.

062906.

9. Dekkers M., Nguyen M.D., Steenwelle R., Blank D.H.A., Rijinders G. (2009),

“Feroelectric properties of epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 thin films on silicon by

control of crystal orientation”, Appl. Phys. Lett, 95, p. 012902.

10. T.V. Dung, H. Ha, H.T.T. Tam, V.T. Dung, N.V. Dung, D.H. Minh, V.T.H.

Trang, N.Q. Hoa, B.N.Q. Trinh (2015), “Investigation of structural and

ferroelectric properties of Bi3.25La0.75Ti3O12 thin film”, Journal of Science

and Technology, (accepted for publication on 26 Octorber).

11. Dutoit N.E., Wardle B.L. (2007), “Experimental verification of models for

microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters”, AIAA J, 45(5), p.

1126.

12. Eom C.B., Editors G. (2012), “Thin-film piezoelectric mems”, MRS Bulletin,

37, pp. 1007-1017.

13. Ekinci K.L., Roukes M.L. (2005), “Nanoelectromechanical systems”, Rev. Sci.

Instrum, 76, p. 061101.

14. Fu. H.X., Cohen R.E. (2000), “Polarization rotation mechanism for ultrahigh

electromechanical response in single-crystal piezoelectrics”, Nature, 403, p.

281.

15. Fujimori Y., Nakamura T., and Takasu H. (2003), “Controlling crystallization of

Pb(ZrTi)O3 thin films on IrO2 electrodes at low temperature through

interface engineering”, Applied Physics Letters, 82(8), pp. 1263-1265.

61

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

16. Fufisawa H., Nakashima S., Kaibara K., Shimizu M., and Niu H. (1999), “Size

effects of epitaxial and polycrystalline Pb(Zr, Ti)O3 thin films gromn by

metalorganic chemical vapor deposition”, Japanese Journal of Applied

Physics, 38, pp. 5392-5396.

17. Gao Y., Masuda Y., Yonezawa T., Koumoto K. (2003), “Preparation of SrTiO3

thin films by the liquid phase deposition method”, Materials Science and

Engineering, B99, pp. 290-293.

18. Gupta S., Katiyar R.S. (2001), “Temperature-dependent structural

characteziration of sol-gel deposited strontium titanate (SrTiO3) thin films

using Raman spectroscopy”, Journal of Raman Spectroscopy, 32, pp. 885-

891.

19. Haeni J.H., Irvin P., Chang W., Uecker R., Reiche P., Li Y.L., ChodhuryS.,

Tian W., Hawley M.E., Craigo B., Tagantsev A.K., pan X.Q., Streiffer S.K.,

Chen L.Q., Kirchoefer S.W., Levy J., Schlom D.G. (2004), “Room-

teperature ferroelectricity in strainned SrTiO3”, Nature, 430, p. 758.

20. N.Q. Hoa, N.T.Xuyen, V.Q. Viet, V.T.H. Trang, H. Ha, H.T.T. Tam, V.T.

Dung, T.V. Dung, B.N.Q. Trinh (2015), “Study on ITO thin films prepared

by multi-annealing technique”, Journal of Science and Technology,

(accepted for publication on 26 Octorber).

21. Hong E.K., Trolier-McKinstry S., Smith R.L., Krishnaswamy S.V., Freidhoff

C.B. (2006), “Design of MEMS PZT circular diaphragm actuators to

generate large deflections”, J. Microelectromech. Syst, 15(4), p. 832.

22. Hutchinson A.B., Truitt P.A., Schwab K.C., Sekaric L., Parpia J.M., Craighead

H.G., Butler J.E. (2004), “Dissipation in nanocrystalline-diamond

nanomechanical resonators”, Appl. Phys. Lett, 84, p. 972.

23. Ikuta K., Tsukada M. (1998), “Low-temperature deposition of SrTiO3 thin films

by electron-cyclotron-resonance sputtering for monolithic microwave

62

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

integrated circuits operating in the mm-wave band”, Japanese Journal of

Physics, 37, pp. 1960-1963.

24. Ishiwara H. (2009), “Current status of ferroelectric-gate Si transistors and

challenge to ferroelectric-gate CNT transistors”, Current Applied Physics, 9,

pp. S2-S6.

25. Karami M.A., Inman D.J. (2012), “Powering pacemakers from heartbeat

vibration using linear and nonlinear energy harvesters”, Appl. Phys. Lett,

100(4), p. 042901.

26. Khaenamkaew P., Muensit S., Bdikin I.K., Kholkin A.L. (2006), “Effect of

Zr/Ti ratio on the microstructure and ferroelectric properties of lead

zirconate titanate thin films”, Materials Chemistry and Physics, 102, pp.

159-164.

27. Lakin K.M., Kline G.R., McCarron K.T. (1993), “High-Q microwave acoustic

resonators and filters”, IEEE trans. Microwave Theory Tech, 41(12), 2139.

28. Larson J.M., Member, IEEE, and Snyder J.P. (2006),“Overview and status of

metal S/D schottky- barrier Mosfet technology”, IEEE Transactions on

Electron Devices, 53(5), pp. 1048-1058.

29. Lee M.K., Eom C.B., Tian W., Pan X.Q., Smoak M.C., Tsui F., Krajewski J.J.

(2000), “Synthesis and properties of epitaxial thin films of c-axis oriented

metastable four-layered hexagonal BaRuO3”, Appl. Phys. Lett, 77, p. 364.

30. Liu Q., Li S., and Meng Z.Y. (1996), “Sol-gel processing SrTiO3 thin films for

dynamic random access memory applications”, IEEE Transactions on

Electron Devices, 58, pp. 690-694.

31. Loginow V.E, Hollmann E.K., Kozyrev A.B., and Prudan A.M. (1997),

“Preparation of SrTiO3 films on sapphire substrate by RF magnetron

sputtering”, Vacuum, 51(2), pp. 141-143.

63

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

32. Lu H., Liu X., Kim D.J., Stamm A., Burton J.D., Lukashev P., Bark C.W.,

Felker D.A., Folkman C.M., Pan X., Rzchowski M.S., Eom C.B., Tsymbal

E.Y., Gruverman A. (2012), “Enhancement of ferroelectric polarization

stability by interface engineering”, Adv. Mater, 24, 1209.

33. D.H. Minh, V.T.H. Trang, B.N.Q. Trinh (2014), “Hugo on-Current

ferroelectric-gate thin film transistor with solution-processed indium tin

oxide channel”, VNU Journal of mathematics- Physics, 30(1), pp. 16-23.

34. Miyake S., Baba S., Niino A., Numata K. (2003), “Preparation of high quality

strontium titanate based thin films by ECR plasma sputtering”, Surface and

Coating Technology, 83, pp. 27-31.

35. Miyasako T., B.N.Q. Trinh, Onoue M., Kaneda T., P.T. Tue, Tokumitsu E., and

Shimoda T. (2011), “Ferroelectric-Gate Thin-Film Transistor Fabricated by

Total Solution Deposition Process”, Japanese Journal of Applied Physics,

50, p. 004DD09-1.

36. Moro L., Benasciutti D. (2010), “Harvested power and sensitivity anlalysis of

vibrating shoe-mounted piezoelectric cantilevers”, Smart Mater. Struct, 19,

p. 115011.

37. Nagahara K., B.N.Q. Trinh, Inoue S., Tokumitsu E., Shimoda T. (2014),

“Fabrication of 120-nm-channe-length ferroelectric-gate thin film trnasistor

by nanoimprint lithography”, Jpn. J. Appl. Phys, 53, p. 02BC14.

38. Noguchi T., Hase T., Miyasaga Y. (1996), “Crystallization of SrBi2Ta2O9 thin

film in N2 ambient by chemical solution deposition method”, Jpn. J. Appl.

Phys, 35, p. 4900.

39. Park B.H., Kang B.S., Bu S.D., Noh T.W., Lee J., and Jo W. (1999),

“Lathanum- substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories”,

Nature, 41, pp. 682-684.

64

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

40. Park K.II., Son J.H., Hwuang G.T., Jeong C.K., Ryu J., Koo M., Choi I., Lee

S.H., Byun M., Wang Z.L., Lee K.J. (2014), “Highly-efficient, flexible

piezoelectric PZT thin film nanogenerator on plastic substrates”, Advanced

Materials, 26(16), pp. 2514-2520.

41. Reiner J.W., Kolpak A.M., Segal Y., Garrity K.F., Ismail-Beigi S., Ahn C.H.,

Walker F.J. (2010), “Crystalline oxides on silicon”, Adv. Mater, 22, p. 2919.

42. Sibai A., Lhostis S., Rozier Y., Salicio O., Amtablian S., Dubois C., Legrand J.,

Senateur J.P., Audier M., Pfalzgraff H., Dobourdieu C., Ducroquet F.(2005),

“Characterization of cry stalline MOCVD SrTiO3 films on SiO2/Si(100)”,

Microelectronics Reliability, 45, pp. 941-944.

43. Silinskas M., Lisker M, Kalkofena B., Burte E.P. (2006), “Investigation of

strontium tantalate thin films for high-k gate dielectric applications”,

Materrials Science in Semiconductor Processing, 9, pp. 1102-1107.

44. Singh S.K., Kim Y.K., Funakubo H., and Ishiwara H. (2006), “Epitaxial

BiFeO3 thin films fabricated by chemical solution deposition”, Applied

Physics Letters, 88, p. 162904-1.

45. Talin A.A., Smith S.M., Voight S., Finder J. (2014), “Epitaxial PbZr0.52Ti0.48O3

on SrTiO3/(001) Si substrates deposited by sol-gel method”, Appl. Phys.

Lett, 81, p. 1062.

46. P.V. Thanh, B.N.Q. Trinh, Miasako T., P.T. Tue, Tokumitsu E., Shimoda T.

(2012), “Electric properties and interface charge trap density of ferroelectric

gate thin film transistor using (Bi,La)4Ti3O12/Pb(Zr,Ti)O3 stack gate

insulator”, Jpn. J. Appl. Phys, 51, p. 09LA09.

47. Tomar M.S., Melgarejo R.E., Hidalgo A., Mazumder S.B., Katiyar R.S. (2003),

“Structural and ferroelectric studies of Bi3.44La0.56Ti3O12 films”, Appl. Phys.

Lett, 83, pp. 341-343.

65

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

48. V.T.H. Trang, T.V. Dung, D.H. Minh, N.Q. Hoa, B.N.Q. Trinh (2014),

“Operation Stability of Ferroelectric-gate Thin-Film Transistor with

LaTaO/PZT Stacked Structure”, International Symposium on Nano-

Materials, Technology and Applications (NANOMATA 2014), October 15-

17, 2, Hanoi, Vietnam.

49. Xu B., Ye Y., Cross, Eric L., Raanan M. (1999), “Dieelectric hysteresis from

transverse electric field in lead zirconate titanate thin film”, Applied Physics

Letters, 74(23), p. 3549.

50. Xue L., Qing-feng G., HaiBo L., Yang L., and Guang-Tian Z. (2012),

“Preparation and characterization of dense lanthanum-doped bismuth

titanate ceramics”, Sci China- Phys Mech Astron, 55, pp. 33-39.

51. Yang Zhang, Rui L., Chieh-jen k., Yicheng L. (2013), “Vertically integrated

ZnO-based 1D1R structure for resistive switching”, J. Phys. D: Appl. Phys,

46(14), p. 145101.

52. Yoshida S., and Shimizu M. (2007), “Fabrication of ferroelectric gate transistors

with Sr(Ti,Ru)O3 as a channel”, Transaction of the Material Research

Society of Japan, 32(1), pp. 71-74.

66

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

1. D.H. Minh, V.T.H. Trang, B.N.Q. Trinh (2014), “Huge on-Current Ferroelectric-

Gate Thin Film Transistor with Solution-Processed Indium Tin Oxide

Channel”, VNU Journal of Mathematics – Physics, 30 (1) PP. 16-23. 2. V.T.H. Trang, T.V. Dung, D.H. Minh, N.Q. Hoa, B.N.Q. Trinh, “Operation

Stability of Ferroelectric-gate Thin-Film Transistor with LaTaO/PZT

Stacked Structure”, International Symposium on Nano-Materials,

Technology and Applications (NANOMATA 2014), October 15-17, 2014,

Hanoi, Vietnam, PP. 106-107.

3. V.T. Dung, V.T.H. Trang, N.V. Dũng, T.V. Dũng, N.Q. Hòa, Đ.H. Minh, B.N.Q

Trình, “Khảo sát chế tạo màng mỏng nano LaNiO3 trên lá Al thay thế đế Si

trong tích hợp tụ điện sắt điện”, Hội nghị Vật lý Kỹ thuật và Ứng dụng toàn

quốc lần 4, 13-16 tháng 10, 2015, Hà Nội, Việt Nam. (P.52)

67

ĐHQGHN

ĐH

Trường ĐHKHTN