M ĐUỞ Ầ
Vât liêu đa pha s t t h p la vât liêu co cac tinh chât săt điên va săt t ắ ổ ợ ư
tôn tai trong t ng pha vât liêu riêng biêt và liên k t hai pha thông qua tính ư ế
ch t s t đàn h i t n t i trong t ng pha. Các nghiên c u cho th y v t li uấ ắ ồ ồ ạ ừ ứ ấ ậ ệ
đa pha s t t h p có tính ch t t t h n nhi u so v i v t li u đa pha s tắ ổ ợ ấ ố ơ ề ớ ậ ệ ắ
đn pha [24, 82]. B ng cách t h p v t li u có tính áp đi n v i các v tơ ằ ổ ợ ậ ệ ệ ớ ậ
li u s t t có tính t gi o ng i ta có th t o ra v t li u đa pha s t tệ ắ ừ ừ ả ườ ể ạ ậ ệ ắ ổ
h p có các u đi m c a c hai pha v t li u.ợ ư ể ủ ả ậ ệ
Trong các nghiên c u v v t li u đa pha s t, h ng nghiên c u vứ ề ậ ệ ắ ướ ứ ề
kh năng đi u khi n tính ch t t c a v t li u b ng đi n th (đi nả ề ể ấ ừ ủ ậ ệ ằ ệ ế ệ
tr ng) thay vì s d ng t tr ng đang thu hút đc s quan tâm c a cácườ ử ụ ừ ườ ượ ự ủ
nhà khoa h c b i kh năng ng d ng trong công ngh l u tr thông tin.ọ ở ả ứ ụ ệ ư ữ
D a trên nguyên lý này, m t th h l u tr thông tin g i tên là MERAMự ộ ế ệ ư ữ ọ
(Magneto-Electric Random Access Memories) m i đc h a h n có thớ ượ ứ ẹ ể
thay th đc các b nh t MRAM trong t ng lai [4, 27, 28, 36, 117,ế ượ ộ ớ ừ ươ
147]. Khác v i các c ch đo t truy n th ng, trong v t li u này, nhớ ơ ế ả ừ ề ố ậ ệ ờ
liên k t đi n t gi a các pha t và đi n mà quá trình đo t có th đcế ệ ừ ữ ừ ệ ả ừ ể ượ
th c hi n d i tác d ng c a đi n tr ng ngoài. B nh MERAM ngự ệ ướ ụ ủ ệ ườ ộ ớ ứ
d ng c ch đo t b ng đi n tr ng có các u đi m v t tr i so v iụ ơ ế ả ừ ằ ệ ườ ư ể ượ ộ ớ
các ph ng pháp truy n th ng nh m t đ l u tr thông tin cao, t c đươ ề ố ư ậ ộ ư ữ ố ộ
ghi b nh nhanh, gi m năng l ng tiêu th , khi ghi thông tin ít gây nhộ ớ ả ượ ụ ả
h ng đn các ô nh xung quanh. ưở ế ớ
Hòa nh p v i s phát tri n các h ng nghiên c u v v t li u đa ch cị ớ ự ể ướ ứ ề ậ ệ ứ
năng hi n nay, Khoa V t lý k thu t và Công ngh nano và Phòng thíệ ậ ỹ ậ ệ
nghi m tr ng đi m Công ngh micro-nano thu c Tr ng Đi h c Côngệ ọ ể ệ ộ ườ ạ ọ
ngh (ĐHQGHN) đang tri n khai các nghiên c u c b n và ng d ng v tệ ể ứ ơ ả ứ ụ ậ
li u đa pha s t t h p. ệ ắ ổ ợ
1
CH NG 1: T NG QUANƯƠ Ổ
1.1 Các hi u ng áp đi n, t gi o và đi n tệ ứ ệ ừ ả ệ ừ
Hi u ng đi n t là hi u ng đi u khi n đ phân c c t phát ệ ứ ệ ừ ệ ứ ề ể ộ ự ự P
b ng cách tác đng t tr ng ằ ộ ừ ườ H ho c đi u khi n t đ t phát ặ ề ể ừ ộ ự M b ngằ
cách tác đng đi n tr ng ngoài ộ ệ ườ E thông qua s bi n d ng ự ế ạ
(
).
1.1.1 Hi u ng áp đi n ệ ứ ệ
Hi u ng áp đi n l n đu tiên đc khám phá vào năm 1880 b i anhệ ứ ệ ầ ầ ượ ở
em nhà Curie, Jacques và Pierre Curie, trên các tinh th khoáng. Khi ch uể ị
tác d ng c a l c ngoài, các tinh th b phân c c đi n, s phân c c này tụ ủ ự ể ị ự ệ ự ự ỉ
l v i đ l n và h ng c a l c tác d ng. Đ nén và đ giãn c a các tinhệ ớ ộ ớ ướ ủ ự ụ ộ ộ ủ
th sinh ra m t đi n th phân c c ng c t l v i l c đt vào. Đây làể ộ ệ ế ự ượ ỉ ệ ớ ự ặ
hi u ng áp đi n thu n. Sau đó ta cũng quan sát th y n u đt m t đi nệ ứ ệ ậ ấ ế ặ ộ ệ
th lên tinh th áp đi n s xu t hi n m t đi n tr ng làm tinh th dài raế ể ệ ẽ ấ ệ ộ ệ ườ ể
ho c co ng n theo s phân c c c a đi n tr ng và t l thu n v i đ l nặ ắ ự ự ủ ệ ườ ỉ ệ ậ ớ ộ ớ
c a đi n tr ng. Hi u ng áp đi n đc tr ng b ng công th c:ủ ệ ườ ệ ứ ệ ặ ư ằ ứ
E = -k
(1.1)
trong đó: k là h s đc tr ng cho v t li u, ệ ố ặ ư ậ ệ > 0 n u là ng su t kéo, ế ứ ấ <
0 n u là ng su t nén.ế ứ ấ
1.1.2 Hi u ng t gi oệ ứ ừ ả
T gi o là hi n t ng thay đi kích th c c a v t li u t khi tr ngừ ả ệ ượ ổ ướ ủ ậ ệ ừ ạ
thái t c a nó thay đi. ừ ủ ổ Hi n t ng t gi o này đc James Prescott Jouleệ ượ ừ ả ượ
phát hi n l n đu tiên vào năm 1842. ệ ầ ầ S thay đi tr ng thái t c a v tự ổ ạ ừ ủ ậ
li u có th đc gây ra do s thay đi nhi t đ (t gi o th tích) ho c doệ ể ượ ự ổ ệ ộ ừ ả ể ặ
t tr ng ngoài (t gi o Joule hay còn g i là t gi o tuy n tính).ừ ườ ừ ả ọ ừ ả ế V c uề ấ
trúc tinh th , s thay đi kích th c c a v t li u t ng ng v i s bi nể ự ổ ướ ủ ậ ệ ươ ứ ớ ự ế
d ng c a m ng tinh th [115].ạ ủ ạ ể
1.1.3 Hi u ng đi n tệ ứ ệ ừ
2
Hi u ng đi n t có hai lo i: hi u ng đi n t thu n và hi u ngệ ứ ệ ừ ạ ệ ứ ệ ừ ậ ệ ứ
đi n t ng c. Hi n nay, s l ng các nghiên c u công b v hi u ngệ ừ ượ ệ ố ượ ứ ố ề ệ ứ
đi n t và v t li u đa pha s t tăng lên đáng k nh công ngh ch t o v tệ ừ ậ ệ ắ ể ờ ệ ế ạ ậ
li u phát tri n cùng v i s h tr c a tính toán lý thuy t. Trong s đó, v tệ ể ớ ự ỗ ợ ủ ế ố ậ
li u t h p gi a pha s t t - t gi o và s t đi n - áp đi n là n i dungệ ổ ợ ữ ắ ừ ừ ả ắ ệ ệ ộ
nghiên c u khá thú v do t n t i t ng tác gi a phân c c đi n và phân c cứ ị ồ ạ ươ ữ ự ệ ự
t . ừ
1.2 V t li u đa pha s tậ ệ ắ
V t li u đa pha s t l n đu tiên đc Hans Schmid đ c p đn vàoậ ệ ắ ầ ầ ượ ề ậ ế
năm 1994 trong công b trên t p chí Ferroelectrics [58]. Trong công trìnhố ạ
này, Hans Schmid đã đnh nghĩa multiferroics nh m t v t li u đn phaị ư ộ ậ ệ ơ
nh ng có đng th i hai ho c ba các tính ch t ferroic: ferroelectricity - s tư ồ ờ ặ ấ ắ
đi n, s t t - ferromagnetism và s t đàn h i - ferroelasticity. ệ ắ ừ ắ ồ
N u xét t quan đi m v thành ph n v t li u, v t li u đa pha s t cóế ừ ể ề ầ ậ ệ ậ ệ ắ
th đc chia thành hai lo i chính: đn pha [99, 103] và t h p [24, 82]ể ượ ạ ơ ổ ợ
(hình 1.6). Trong v t li u đn pha, các tính ch t đi n và t là hi u ngậ ệ ơ ấ ệ ừ ệ ứ
th tích, còn trong v t li u t h p, t ng tác gi a các pha đi n và tể ậ ệ ổ ợ ươ ữ ệ ừ
đc xác đnh theo vùng phân gi i. ượ ị ớ
Hình 1.6: V t li u đa pha s t lo i đn pha và t h p.ậ ệ ắ ạ ơ ổ ợ
1.2.1 V t li u đn phaậ ệ ơ
V t li u đa pha s t đn pha là v t li u t n t i đng th i các tínhậ ệ ắ ơ ậ ệ ồ ạ ồ ờ
ch t đi n và t trong cùng pha v t li u. D a trên c u trúc tinh th , v cấ ệ ừ ậ ệ ự ấ ể ề ơ
b n v t li u đn pha có th chia thành m t s nhóm chính nh sau [38]:ả ậ ệ ơ ể ộ ố ư
3
a) V t li u có c u trúc perovskite ABOậ ệ ấ 3, b) H p ch t manganit đt hi mợ ấ ấ ế
c u trúc l c giác v i công th c t ng quát ấ ụ ớ ứ ổ ReMnO3 v i ớRe = Y, Ho, Er, Tm,
Yb, Lu, Sc, c) H p ch t ch a nguyên t Bo v i công th c t ng quátợ ấ ứ ố ớ ứ ổ
M3B7O13X trong đó M = Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, và X = Cl, Br, I, d) H pợ
ch t BaấMF4 v i ớM = Hn, Fe, Co, Ni, có c u trúc tinh th d ng tr c thoi ấ ể ạ ự ở
nhi t đ cao. N u phân lo i theo c ch v t li u s t đi n, v t li u đa phaệ ộ ế ạ ơ ế ậ ệ ắ ệ ậ ệ
s t đn pha đc Khomskii phân chia thành: V t li u đa pha s t đn phaắ ơ ượ ậ ệ ắ ơ
lo i I và lo i 2 [30].ạ ạ
Hi u ng đi n t trong các v t li u đn pha th ng x y ra nhi tệ ứ ệ ừ ậ ệ ơ ườ ả ở ệ
đ th p và t tr ng cao, c ng h ng s t đi n và s t t th p, h sộ ấ ừ ườ ộ ưở ắ ệ ắ ừ ấ ệ ố
t ng tác đi n t nh nên không phù h p v i các ng d ng th c t .ươ ệ ừ ỏ ợ ớ ứ ụ ự ế
1.2.2 V t li u t h pậ ệ ổ ợ
Khác v i v t li u đn pha, trong v t li u t h p, tr t t đa pha s tớ ậ ệ ơ ậ ệ ổ ợ ậ ự ắ
có đc là do s k t h p gi a hai pha v t li u (khác nhau v thành ph nượ ự ế ợ ữ ậ ệ ề ầ
hóa h c) có tính s t đi n và s t t riêng r thông qua liên k t đàn h i.ọ ắ ệ ắ ừ ẽ ế ồ
Liên k t này mô t nh h ng qua l i c a đ phân c c đi n và phân c cế ả ả ưở ạ ủ ộ ự ệ ự
t c a v t li u. Nó có th b t ngu n tr c ti p t các thông s tr t t nhừ ủ ậ ệ ể ắ ồ ự ế ừ ố ậ ự ư
trong v t li u đa pha s t đn pha ho c không tr c ti p thông qua bi nậ ệ ắ ơ ặ ự ế ế
d ng/ ng su t. Do đó, nh s t n t i c a v t li u s t đi n và s t t ạ ứ ấ ờ ự ồ ạ ủ ậ ệ ắ ệ ắ ừ ở
nhi t đ phòng ng i ta có th ch t o ra các v t li u t h p t i nhi t đệ ộ ườ ể ế ạ ậ ệ ổ ợ ạ ệ ộ
phòng.
1.3 C ch đi u khi n tính ch t t b ng đi n tr ng trong v t li uơ ế ề ể ấ ừ ằ ệ ườ ậ ệ
đa pha s tắ
M t trong nh ng h ng đc các nhóm nghiên c u hi n nay quanộ ữ ướ ượ ứ ệ
tâm liên quan đn đi u khi n c ch t b ng đi n tr ng. V t li u đaế ề ể ơ ế ừ ằ ệ ườ ậ ệ
pha s t có t ng tác đi n t gi a pha s t t và pha s t đi n đóng vai tròắ ươ ệ ừ ữ ắ ừ ắ ệ
là v t li u n n cho phép t n t i c ch đi u khi n tính ch t t b ng đi nậ ệ ề ồ ạ ơ ế ề ể ấ ừ ằ ệ
4
tr ng.ườ Quá trình đi u khi n mômen t b ng đi n tr ng trong v t li uề ể ừ ằ ệ ườ ậ ệ
đa pha s t t h p có th đc xác đnh b ng t ng tác đàn h i gi a phaắ ổ ợ ể ượ ị ằ ươ ồ ữ
s t t và đ áp đi n/s t đi n. D i nh h ng c a ng su t c h c này,ắ ừ ế ệ ắ ệ ướ ả ưở ủ ứ ấ ơ ọ
v t li u s t t - t gi o cũng b bi n d ng và do đó t đ s thay đi (vậ ệ ắ ừ ừ ả ị ế ạ ừ ộ ẽ ổ ề
đ l n và đnh h ng). ộ ớ ị ướ
1.4 Kh năng ng d ng c a v t li u đa pha s t trong công ngh l uả ứ ụ ủ ậ ệ ắ ệ ư
tr thông tinữ
Các c ch đo t b ng đi n tr ng trong các c u trúc đi n t tơ ế ả ừ ằ ệ ườ ấ ệ ừ ổ
h p đã đc ng d ng đ ch t o các b nh MERAM. B nhợ ượ ứ ụ ể ế ạ ộ ớ ộ ớ
MERAM s d ng ph ng pháp đo t b ng đi n tr ng có nh ng uử ụ ươ ả ừ ằ ệ ườ ữ ư
đi m so v i các th h MRAM nh : kích th c ô nh đc thu nh màể ớ ế ệ ư ướ ớ ượ ỏ
không b gi i h n, t c đ ghi thông tin nhanh, tiêu hao năng l ng th p.ị ớ ạ ố ộ ượ ấ
K t lu n ch ng 1ế ậ ươ
Ch ng 1 là ph n tươ ầ ổng quan v ềcác vật liệu đa pha s t đn pha vàắ ơ
t h p, cùng m t s tính ch t và hi u ng đc tr ng c a các v t li u.ổ ợ ộ ố ấ ệ ứ ặ ư ủ ậ ệ
Hi n t ng đo t b ng đi n tr ng có th đc ng d ng nh m t cệ ượ ả ừ ằ ệ ườ ể ượ ứ ụ ư ộ ơ
ch ghi t m i thay th cho ghi t b ng t tr ng hay dòng đi n, kh cế ừ ớ ế ừ ằ ừ ườ ệ ắ
ph c đc các h n ch c a các b nh t lo i khác. ụ ượ ạ ế ủ ộ ớ ừ ạ
CH NG 2: CH T O M U VÀ CÁC PH NG PHÁP KH OƯƠ Ế Ạ Ẫ ƯƠ Ả
SÁT TÍNH CH TẤ
2.1 Ph ng pháp ch t o v t li u đa pha s t lo i t h pươ ế ạ ậ ệ ắ ạ ổ ợ
2.1.1 V t li uậ ệ
2.1.1.1 V t li u s t đi nậ ệ ắ ệ
V t li u áp đi n s d ng trong lu n ậ ệ ệ ử ụ ậ án là Pb(Zr0.48Ti0.52)O3 (kí hi uệ
PZT-APC 855) có d ng t m m ng (đ dày 500 ạ ấ ỏ ộ m) c a hãng Americanủ
Piezoceramics Inc. (PA, USA). Các thông s đc tr ng khác c a đ ápố ặ ư ủ ế
5