Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano: Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật liệu đa pha sắt tổ hợp

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận án này chúng tôi đã chế tạo thành công các hệ vật liệu tổ hợp PZT/CoCr bằng phương pháp kết dính và PZT/NiFe/CoFe bằng phún xạ trực tiếp màng sắt từ lên các đế áp điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano: Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật liệu đa pha sắt tổ hợp

MỞ ĐẦU ̣ ̣ Vât liêu đa pha s ắt tổ hợp la vât liêu co cac tinh chât săt điên va săt t ̀ ̣ ̣ ́ ́ ́ ́ ́ ̣ ̀ ́ ư ̀ ̀ ̣ tôn tai trong t ưng pha vât liêu riêng biêt và liên k ̀ ̣ ̣ ̣ ết hai pha thông qua tính chất sắt đàn hồi tồn tại trong từng pha. Các nghiên cứu cho thấy vật liệu đa pha sắt tổ hợp có tính chất tốt hơn nhiều so với vật liệu đa pha sắt đơn pha [24, 82]. Bằng cách tổ hợp vật liệu có tính áp điện với các vật liệu sắt từ có tính từ giảo người ta có thể tạo ra vật liệu đa pha sắt tổ hợp có các ưu điểm của cả hai pha vật liệu. Trong các nghiên cứu về vật liệu đa pha sắt, hướng nghiên cứu về khả năng điều khiển tính chất từ của vật liệu bằng điện thế (điện trường) thay vì sử dụng từ trường đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học bởi khả năng ứng dụng trong công nghệ lưu trữ thông tin. Dựa trên nguyên lý này, một thế hệ lưu trữ thông tin gọi tên là MERAM (MagnetoElectric Random Access Memories) mới được hứa hẹn có thể thay thế được các bộ nhớ từ MRAM trong tương lai [4, 27, 28, 36, 117, 147]. Khác với các cơ chế đảo từ truyền thống, trong vật liệu này, nhờ liên kết điện từ giữa các pha từ và điện mà quá trình đảo từ có thể được thực hiện dưới tác dụng của điện trường ngoài. Bộ nhớ MERAM ứng dụng cơ chế đảo từ bằng điện trường có các ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như mật độ lưu trữ thông tin cao, tốc độ ghi bộ nhớ nhanh, giảm năng lượng tiêu thụ, khi ghi thông tin ít gây ảnh hưởng đến các ô nhớ xung quanh. Hòa nhịp với sự phát triển các hướng nghiên cứu về vật liệu đa chức năng hiện nay, Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano và Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ micronano thuộc Trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN) đang triển khai các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vật liệu đa pha sắt tổ hợp. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ Hiệu ứng điện từ là hiệu ứng điều khiển độ phân cực tự phát P bằng cách tác động từ trường H hoặc điều khiển từ độ tự phát M bằng cách tác động điện trường ngoài E thông qua sự biến dạng ( ). 1.1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên được khám phá vào năm 1880 bởi anh em nhà Curie, Jacques và Pierre Curie, trên các tinh thể khoáng. Khi chịu tác dụng của lực ngoài, các tinh thể bị phân cực điện, sự phân cực này tỉ lệ với độ lớn và hướng của lực tác dụng. Độ nén và độ giãn của các tinh thể sinh ra một điện thế phân cực ngược tỉ lệ với lực đặt vào. Đây là hiệu ứng áp điện thuận. Sau đó ta cũng quan sát thấy nếu đặt một điện thế lên tinh thể áp điện sẽ xuất hiện một điện trường làm tinh thể dài ra hoặc co ngắn theo sự phân cực của điện trường và tỉ lệ thuận với độ lớn của điện trường. Hiệu ứng áp điện đặc trưng bằng công thức: E = k (1.1) trong đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu, > 0 nếu là ứng suất kéo,
Hiệu ứng điện từ có hai loại: hiệu ứng điện từ thuận và hiệu ứng điện từ ngược. Hiện nay, số lượng các nghiên cứu công bố về hiệu ứng điện từ và vật liệu đa pha sắt tăng lên đáng kể nhờ công nghệ chế tạo vật liệu phát triển cùng với sự hỗ trợ của tính toán lý thuyết. Trong số đó, vật liệu tổ hợp giữa pha sắt từ từ giảo và sắt điện áp điện là nội dung nghiên cứu khá thú vị do tồn tại tương tác giữa phân cực điện và phân cực từ. 1.2 Vật liệu đa pha sắt Vật liệu đa pha sắt lần đầu tiên được Hans Schmid đề cập đến vào năm 1994 trong công bố trên tạp chí Ferroelectrics [58]. Trong công trình này, Hans Schmid đã định nghĩa multiferroics như một vật liệu đơn pha nhưng có đồng thời hai hoặc ba các tính chất ferroic: ferroelectricity sắt điện, sắt từ ferromagnetism và sắt đàn hồi ferroelasticity. Nếu xét từ quan điểm về thành phần vật liệu, vật liệu đa pha sắt có thể được chia thành hai loại chính: đơn pha [99, 103] và tổ hợp [24, 82] (hình 1.6). Trong vật liệu đơn pha, các tính chất điện và từ là hiệu ứng thể tích, còn trong vật liệu tổ hợp, tương tác giữa các pha điện và từ được xác định theo vùng phân giới. Hình 1.6: Vật liệu đa pha sắt loại đơn pha và tổ hợp. 1.2.1 Vật liệu đơn pha Vật liệu đa pha sắt đơn pha là vật liệu tồn tại đồng thời các tính chất điện và từ trong cùng pha vật liệu. Dựa trên cấu trúc tinh thể, về cơ bản vật liệu đơn pha có thể chia thành một số nhóm chính như sau [38]: 3
a) Vật liệu có cấu trúc perovskite ABO3, b) Hợp chất manganit đất hiếm cấu trúc lục giác với công thức tổng quát ReMnO3 với Re = Y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, c) Hợp chất chứa nguyên tố Bo với công thức tổng quát M3B7O13X trong đó M = Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, và X = Cl, Br, I, d) Hợp chất BaMF4 với M = Hn, Fe, Co, Ni, có cấu trúc tinh thể dạng trực thoi ở nhiệt độ cao. Nếu phân loại theo cơ chế vật liệu sắt điện, vật liệu đa pha sắt đơn pha được Khomskii phân chia thành: Vật liệu đa pha sắt đơn pha loại I và loại 2 [30]. Hiệu ứng điện từ trong các vật liệu đơn pha thường xảy ra ở nhiệt độ thấp và từ trường cao, cộng hưởng sắt điện và sắt từ thấp, hệ số tương tác điện từ nhỏ nên không phù hợp với các ứng dụng thực tế. 1.2.2 Vật liệu tổ hợp Khác với vật liệu đơn pha, trong vật liệu tổ hợp, trật tự đa pha sắt có được là do sự kết hợp giữa hai pha vật liệu (khác nhau về thành phần hóa học) có tính sắt điện và sắt từ riêng rẽ thông qua liên kết đàn hồi. Liên kết này mô tả ảnh hưởng qua lại của độ phân cực điện và phân cực từ của vật liệu. Nó có thể bắt nguồn trực tiếp từ các thông số trật tự như trong vật liệu đa pha sắt đơn pha hoặc không trực tiếp thông qua biến dạng/ứng suất. Do đó, nhờ sự tồn tại của vật liệu sắt điện và sắt từ ở nhiệt độ phòng người ta có thể chế tạo ra các vật liệu tổ hợp tại nhiệt độ phòng. 1.3 Cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trường trong vật liệu đa pha sắt Một trong những hướng được các nhóm nghiên cứu hiện nay quan tâm liên quan đến điều khiển cơ chế từ bằng điện trường. Vật liệu đa pha sắt có tương tác điện từ giữa pha sắt từ và pha sắt điện đóng vai trò là vật liệu nền cho phép tồn tại cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện 4
trường. Quá trình điều khiển mômen từ bằng điện trường trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp có thể được xác định bằng tương tác đàn hồi giữa pha sắt từ và đế áp điện/sắt điện. Dưới ảnh hưởng của ứng suất cơ học này, vật liệu sắt từ từ giảo cũng bị biến dạng và do đó từ độ sẽ thay đổi (về độ lớn và định hướng). 1.4 Khả năng ứng dụng của vật liệu đa pha sắt trong công nghệ lưu trữ thông tin Các cơ chế đảo từ bằng điện trường trong các cấu trúc điện từ tổ hợp đã được ứng dụng để chế tạo các bộ nhớ MERAM. Bộ nhớ MERAM sử dụng phương pháp đảo từ bằng điện trường có những ưu điểm so với các thế hệ MRAM như: kích thước ô nhớ được thu nhỏ mà không bị giới hạn, tốc độ ghi thông tin nhanh, tiêu hao năng lượng thấp. Kết luận chương 1 Chương 1 là phần tổng quan về các vật liệu đa pha sắt đơn pha và tổ hợp, cùng một số tính chất và hiệu ứng đặc trưng của các vật liệu. Hiện tượng đảo từ bằng điện trường có thể được ứng dụng như một cơ chế ghi từ mới thay thế cho ghi từ bằng từ trường hay dòng điện, khắc phục được các hạn chế của các bộ nhớ từ loại khác. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt loại tổ hợp 2.1.1 Vật liệu 2.1.1.1 Vật liệu sắt điện Vật liệu áp điện sử dụng trong luận án là Pb(Zr0.48Ti0.52)O3 (kí hiệu PZTAPC 855) có dạng tấm mỏng (độ dày 500 m) của hãng American Piezoceramics Inc. (PA, USA). Các thông số đặc trưng khác của đế áp 5
điện là: hệ số tích điện d31 = 276 pC/N, hệ số chuyển đổi cơ điện k33 = 0.76, TC = 200oC. Đế PZT có hai loại tương ứng với hướng phân cực khác nhau: dọc theo chiêu day cua đê ̀ ̀ ̉ ́ và ngang theo bề mặt đế. 2.1.1.2 Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ được lựa chọn gồm có Ni 80Fe20 có tính chất từ mềm, và có thể làm tăng kết dính giữa các lớp, nhạy với ứng suất tác động; Co50Fe50 có hệ số từ giảo dương và từ độ cao, có các tính chất tốt để đạt được tương tác điện từ lớn [136]. Các vật liệu này có tính chất từ tốt và giá thành rẻ hơn so với những hợp kim có chứa đất hiếm được sử dụng trong một số nghiên cứu vật liệu đa pha sắt tổ hợp dạng lớp trước đây [128, 134, 138]. 2.1.2 Các phương pháp chế tạo 2.1.2.1 Vật liệu tổ hợp PZT/CoCr Vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/CoCr được chế tạo bằng phương pháp kết dính sử dụng keo epoxy để gắn kết tấm áp điện PZT với cấu trúc màng CoCr/PVDF. Đây là phương pháp chế tạo đơn giản tuy nhiên giữa các lớp vật liệu có lớp keo dính ngăn cách. 2.1.2.2 Vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe Trong các phương pháp được sử dụng để chế tạo màng mỏng đa lớp hiện nay, phương pháp phún xạ có nhiều ưu điểm như: độ bám dính của màng trên đế tốt do các nguyên tử lắng đọng có động năng khá cao, màng tạo ra có độ gồ ghề bề mặt thấp và có hợp thức gần với bia, độ dày có thể điều khiển được. Bảng 2.2: Các thông số chế tạo các lớp màng mỏng NiFe, CoFe Vật liệu chế tạo NiFe CoFe Công suất phún xạ (W) 50 50 Chân không cơ sở (Torr) 2 107 2 107 6
Áp suất khí Ar (Torr) 2.2 10 2.2 103 3 Thời gian chế tạo (phút) 10, 20, 40, 60 10, 30, 60 Độ dày màng (nm) 10, 25, 50, 90 190, 225, 320 Trong cấu trúc tổ hợp này, thời gian phún xạ lớp CoFe thay đổi là 10, 30 và 60 phút, trong khi đó thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi là 10, 20, 40, 60 và 90 phút để có các hệ mẫu với độ dày các lớp sắt từ khác nhau. Các thông số chế tạo các lớp màng từ được liệt kê chi tiết trong Bảng 2.2. 2.2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học 2.2.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và thành phần bằng các thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD, D8 Advance, Bruker) và phổ tán xạ năng lượng EDS (JSM7600F, JEOL). 2.2.2 Khảo cấu trúc vi mô Nghiên cứu hình thái học bề mặt và cấu trúc vi mô bằng các kính hiển vi điện tử quét (SEM, S3400N, Hitachi), kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao (FESEM, S4800, Hitachi) và (FESEM ZEISS Ultra+). 2.2.3 Xác định thành phần vật liệu Các phép đo về phổ tán sắc năng lượng được thực hiện trên thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM, JSM7600F, JEOL) tích hợp với phổ kế tán sắc năng lượng tia X (EDS) và đầu dò huỳnh quang catôt (CL). 7
2.3 Các phương pháp đo tính chất điện và từ 2.3.1 Tính chất từ 2.3.2 Tính chất điện 2 .3.2.1 Độ phân cực điện và dòng rò Khảo sát các tính chất sắt điện sử dụng các thiết bị đo các tính chất sắt điện (LC10, Radiant). Dòng rò của một chất điện môi được xác định qua đặc trưng JV, sử dụng thiết bị (LC10, Radiant). 2.3.2.2 Hằng số điện môi Hằng số điện môi của vật liêụ có thể được tính qua giá trị của điện dung của mẫu tại các giá trị tần số khác nhau, sử dụng máy đo LCR (PM 6303, Tegam). 2.3.2.3 Độ dịch chuyển Khảo sát các tính chất của vật liệu áp điện sử dụng thiết bị Photonic Sensor (MTI200, Radiant Technologies Inc.). 2.4 Khảo sát sự thay đổi tính chất từ dưới tác dụng của điện thế 2.4.1 Phương pháp đo Chúng tôi tiến hành cấp thế vào hai điện cực của mẫu với dải điện thế thay đổi từ 400V đến 400V. Sử dụng thiết bị VSM, chúng tôi có thể thu được các đường M(U) biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ M vào điện thế tác dụng U. 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của điện thế và phương từ trường Dựa trên các thiết lập thí nghiệm ở trên chúng tôi tiến hành khảo sát đo các đường M(U) tại các từ trường Hbias khác nhau và đo theo các hướng khác nhau của từ trường so với mặt phẳng mẫu α = 0o, α = 45o và α = 90o . 8
Kết luận chương 2 Chương 2 giới thiệu các phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp, các kỹ thuật khảo sát cấu trúc tinh thể và cấu trúc vi mô, các tính chất điện và từ của vật liệu đa pha sắt đã sử dụng trong luận án. CHƯƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT PHÂN CỰC DỌC 3.1 PZT/CoCr Hình thái học bề mặt của màng CoCr cho thấy cấu trúc vi mô của màng là tương đối đồng nhất với bề mặt khá mịn, kích thước của các hạt CoCr vào khoảng 10 nm. Bên cạnh đó, từ kết quả khảo sát phổ EDS chúng tôi có thể quan sát thấy các đỉnh đặc trưng của Cr và Co. Tỷ phần của các nguyên tố trong màng là Co35.6Cr64.4. Kết quả đo nhiễu xạ Xray của màng CoCr cho thấy cường độ đỉnh nhiễu xạ lớn nhất được quan sát thấy tại ví trí góc 2 là 26.2o, tương ứng với đỉnh nhiễu xạ (111) của CoCr. Đỉnh nhiễu xạ (111) đặc trưng cho phân bố ngẫu nhiên của các hạt, không có định hướng tinh thể ưu tiên. Các mẫu tổ hợp đều có tính chất từ mềm đặc trưng và dị hướng từ theo phương mặt phẳng màng. 9
Hình 3.4: Sự phụ thuộc từ độ vào điện thế tác động tại các từ trường ngoài khác nhau đối với mẫu P2 Sự phụ thuộc của từ độ vào điện thế M(U) của mẫu tiêu biểu P2 giảm dần khi tăng điện thế được trình bày trên hình 3.4. Ở đây M = M(U) M(0), trong đó M(U) là từ độ thay đổi dưới tác dụng của điện thế U và M(0) là từ độ khi không có điện thế. M có thể đạt 840 emu trong khoảng thế từ 400V đến +400V. Như vậy, chúng tôi đã chế tạo được vật liệu tổ hợp đa pha sắt dạng tấm PZT/CoCr bằng phương pháp kết dính. Kết quả khảo sát tính chất từ của mẫu PZT/CoCr cho thấy dị hướng tư m ̀ ặt phẳng chiếm ưu thế. Dưới tác dụng của điện thế, mẫu P2 có độ thay đổi từ độ là M = 840 emu. 3.2 PZT/NiFe/CoFe Các mẫu được chế tạo trên đế PZT phân cực dọc được lựa chọn để trình bày kết quả trong chương 3 có kí hiệu lần lượt là D1, D2, D3 và D4 (ứng với các mẫu có thời gian phún xạ lớp CoFe cố định là 60 phút, thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi 10, 20, 40 và 60 phút). 3.2.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần Giản đồ nhiễu xạ tia X của một mẫu đặc trưng D1 cho thấy mẫu D1 có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc perovskite của đế PZT và cấu trúc đa tinh thể có định hướng ưu tiên (111) của màng sắt từ NiFe/CoFe. 3.2.2 Tính chất từ Tính chất từ của hệ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe được khảo sát bằng phép đo đường cong từ hóa M(H) theo các hướng từ trường song song = 0o, tạo một góc = 45o và vuông góc = 90º so với mặt phẳng mẫu. Kết quả chỉ ra dị hướng từ mặt phẳng chiếm ưu thế trong các mẫu do sự đóng góp dị hướng từ mặt phẳng của lớp sắt từ NiFe/CoFe. Các thông số từ đặc trưng được liệt kê trên Bảng 3.2 10
Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu D1, D2, D3 và D4 HC MS (μemu) Mẫu // 45o 90 o // 45o 90o D1 (tNiFe = 10 nm) 75 97 122 1458 1360 1340 D2 (tNiFe = 25 nm) 100 120 163 1859 1662 1500 D3 (tNiFe = 50 nm) 108 145 190 2175 1944 1758 D4 (tNiFe = 90 nm) 116 152 197 2366 2093 1867 3.2.3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ Các nghiên cứu ảnh hưởng của điện thế lên tính chất từ của vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe cho thấy trong cấu trúc vật liệu tổ hợp, tương tác điện từ không chỉ phụ thuộc vào các thông số vật liệu, mặt phân giới sắt điện/sắt từ mà còn phụ thuộc vào hướng của điện thế tác động so với hướng phân cực trong lớp PZT. Khi điện thế đặt vào lớp áp điện là dương hoặc âm, tức là chiều điện trường cùng hướng với vectơ phân cực của PZT hoặc phản song song, nó sẽ tạo ra một ứng suất căng hoặc nén. Một kết quả lý thú được quan sát thấy đó là sự xuất hiện của quá trình đảo từ tại các giá trị điện thế thích hợp Uđ. Trên cơ sở các kết quả đo M(U), các giá trị của Uđ đo tại từ trường Hbias khác nhau của các mẫu tổ hợp được chỉ ra (hình 3.12). Tại từ trường Hbias = 5 Oe, quá trình đảo từ xảy ra tại giá trị điện thế U đ = 40, 102, 234 và 265 V lần lượt đối với các mẫu D1, D2, D3 và D4. Như vậy, thế Uđ này tăng dần khi chiều dày lớp đệm NiFe tăng. Quá trình đảo từ trong vật liệu tổ hợp xảy ra do sự cạnh tranh giữa năng lượng từ trường và năng lượng điện trường. 11
Hình 3.12: Giá trị Uđ của các mẫu Di đo tại các từ trường khác nhau Hinh 3.14: ̀ Sự phu thuôc t ̣ ̣ ư đô cua cac mâu D1 vao điên thê tac dung lên ̀ ̣ ̉ ́ ̃ ̀ ̣ ́ ́ ̣ hai cực lơp ap điên PZT khi đo theo cac goc ́ ́ ̣ ́ ́ α khac nhau ́ 3.2.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ Tại các góc α # 0o giá trị M vẫn có xu hướng giảm tuyến tính khi có điện thế tác động lên đế áp điện PZT (xem hình 3.14). Tuy nhiên sự thay đổi ∆ M (hay độ dốc của đường M(U)) giảm dần khi hướng từ trường lệch khỏi mặt phẳng màng. M thay đổi rất nhỏ khi hướng từ trường vuông góc với mặt phẳng mẫu ứng với α = 90 o. Nếu so sánh kết quả đo theo các phương từ trường khác nhau thì thế đảo từ khi đo theo phương song song α = 0o là lớn nhất, còn thế đảo từ khi đo theo phương vuông góc α = 90o là nhỏ nhất. Kết luận chương 3 12
Đã chế tạo được hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe bằng phương pháp phún xạ. Các mẫu đều thể hiện tính từ mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu thế. Khi tăng điện thế U, từ độ M có xu hướng giảm tuyến tính. Tại góc α = 0o với ΔU = 400 V, từ trường H bias = 50 Oe, mẫu D1 có độ biến thiên từ độ lớn nhất là ΔMmax = 1540 emu và mẫu D4 có độ biến thiên từ độ nhỏ nhất là ΔMmin = 930 emu. Tại α 0o, độ dốc của đồ thị M(U) giảm dần. Khảo sát quá trình đảo từ cảm ứng điện trường, khi tăng độ dày tNiFe giá trị thế đảo từ Uđ tăng . Mẫu D1 có (Uđ)min = 18 V, mẫu D4 có (Uđ)max = 165 V. Đặc biệt, đối với mẫu D1, khi không có từ trường Hbias, việc điều khiển đảo từ bằng điện thế đã có thể thực hiện được với U đ = 21 V. Uđ giảm khi hướng của từ trường ngoài ngoài lệch ra ngoài mặt phẳng màng. Với mẫu D1, Uđ = 2 V tại Hbias = 50 Oe và α = 90o . Ảnh hưởng của điện thế lên tính chất từ và hiện tượng đảo từ cảm ứng điện trường cũng đã được nghiên cứu và giải thích định tính. CHƯƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe TRÊN PZT PHÂN CỰC NGANG Tương tự các mẫu chế tạo trên đế PZT phân cực ngang được lựa chọn để trình bày kết quả trong chương 4 có ký hiệu lần lượt là N1, N2, N3 và N4 (ứng với các mẫu có thời gian phún xạ lớp CoFe cố định là 10 phút, thời gian phún xạ lớp NiFe thay đổi 10, 20, 40 và 60 phút). 4.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần So sánh với giản đồ nhiễu xạ của đế PZT phân cực ngang, ta thấy mẫu N1 có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc perovskite của đế PZT với đỉnh nhiễu xạ lớn nhất tại góc 2 = 31.2o tương ứng với định 13
hướng (110). So sánh với phổ nhiễu xạ chuẩn (từ thẻ chuẩn JCPDS #23 297), đỉnh nhiễu xạ tại 2 = 44o chứng tỏ sự tồn tại của lớp sắt từ NiFe/CoFe. Chú ý rằng lớp NiFe và CoFe mỏng, do đó cường độ của các đỉnh không rõ nét. 4.2 Tính chất từ Trong cả 3 trường hợp từ trường ngoài song song, tạo góc 45o và vuông góc với mặt phẳng mẫu, giá trị từ độ bão hoà MS, Mr có xu hướng tăng khi tăng chiều dày lớp đệm NiFe. Trong khi đó, lực kháng từ HC lại có chiều giảm dần khi chiều lớp đệm NiFe tăng. Các giá trị từ độ đo theo phương vuông góc M , M45o nhỏ hơn khi đo theo phương song song M// 4.3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ 4.3.1 Sự thay đổi của từ độ dưới tác dụng của điện thế Như chúng ta đã thấy, khi có điện thế U tác dụng lên các điện cực của PZT, từ độ M của vật liệu tổ hợp thay đổi gần như tuyến tính theo điện thế U. Sự thay đổi của M cũng như M/ U dưới tác dụng của điện thế đối với mẫu N2 lớn nhất là 530 m và 1.33, còn đối với mẫu N4 sự thay đổi này nhỏ nhất là 470 m và 1.20. Điều này phù hợp với kết quả đã khảo sát về tính chất từ ở trên. Đối với hệ vật liệu tổ hợp điện từ PZT/NiFe/CoFe đang nghiên cứu, đế PZT có phân cực ngang nên hướng ứng suất sẽ nằm trong mặt phẳng màng, hướng [100] ứng với biến dạng 1 (hình 4.12). Mặt khác, lớp sắt từ NiFe/CoFe có dị hướng mặt phẳng. Do đó hướng các mômen từ song song với trục ứng suất, tức là = 0o nên K > 0. Như đã đề cập, NiFe/CoFe có hệ số từ giảo dương S > 0 vì vậy giá trị > 0, tương ứng với ứng suất của đế PZT. Điều này phù hợp với thảo luận ở trên về sự tăng từ độ khi tăng điện thế tác dụng. 14
Hình 4.12: a) Màng từ dưới tác dụng của ứng suất b) Mô hình dị hướng từ cảm ứng suất trong trường hợp đế áp điện phân cực ngang 4.3.2 Quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện thế Chúng ta có thể quan sát thấy hiện tượng mômen từ của NiFe/CoFe thay đổi định hướng tại các giá trị điện thế Uđ xác định. Giá trị Uđ này là khác nhau với từ trường Hbias khác nhau như được thống kê trong bảng 4.3 và hình 4.14 với xu hướng chung là tăng lên theo từ trường tác dụng. Lấy ví dụ đối với mẫu N2, giá trị thế đảo U đ = 200, 86, 119 và 172 V lần lượt tương ứng với các từ trường Hbias = 500, 50, 200 và 500 Oe. Khi từ trường Hbias = 100 Oe hoặc Hbias = 50 Oe, giá trị Uđ thay đổi (âm hoặc dương) tùy từng mẫu. Kết quả này cho thấy sự cạnh tranh giữa năng lượng từ và năng lượng điện trong quá trình đảo từ, đồng thời cho thấy khả năng có thể sử dụng điện thế/điện trường để thực hiện việc thay đổi định hướng của mômen từ trong vật liệu từ. Từ bảng 4.3 cũng có thể thấy một số giá trị thế đảo nhỏ như Uđ = 1 V đối với mẫu N4 tại từ trường Hbias = 50 Oe, Uđ = 25 V (mẫu N2) và Uđ = 15 V (mẫu N3) tại từ trường Hbias = 100 Oe. Khả năng có thể đảo từ tại các giá trị điện thế nhỏ như vậy sẽ có ý nghĩa về mặt ứng trong lưu trữ thông tin do tiêu tốn ít về mặt năng lượng. 15
Hình 4.14: Giá trị Uđ của các mẫu Ni đo tại các từ trường khác nhau Bảng 4.3: Thế đảo từ Uđ của các mẫu Ni tại các từ trường khác nhau 500 200 100 50 0 50 100 200 500 N1 250 200 178 165 150 127 65 117 250 N2 172 119 100 86 70 50 25 133 200 N3 300 250 217 200 172 118 15 200 270 N4 493 424 400 350 300 1 300 400 509 4.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ So sánh các đồ thị M(α) khi U = 0 V của mẫu N1 với đồ thị M(α) khi U = 100 V, chúng ta thấy khi có điện trường đặt vào, dạng hình sin của M(α) sẽ bị biến đổi với các giá trị cực đại, cực tiểu thay đổi (hình 4.18). Với nhóm đường M(α) nằm trên đường M = 0, giá trị cực đại của từ độ dịch chuyển từ vị trí α = 0o sang vị trí α = 30o và chu kì biến thiên thay đổi từ T = 180o sang T = 120o, chứng tỏ tồn tại sự thay đổi dị hướng của các màng từ, dưới tác dụng của một giá trị điện thế đủ lớn tác động lên pha áp điện. 4.5 Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ Ngoài việc chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp có chiều dày lớp NiFe thay đổi như đã thảo luận ở trên, chúng tôi cũng đã chế tạo các hệ vật 16
liệu đa pha sắt tổ hợp chiều dày lớp NiFe cố định là 10 nm, và chiều dày lớp CoFe thay đổi từ 190, 225, 320 nm, được kí hiệu M1, P1. Hình 4.18: Sự phụ thuộc của từ độ vào hướng của từ trường M(α) của mẫu N1 đo tại Hbias = 50 Oe trong trường hợp: a) U = 0 V, b) U = 100 V, c) U = 200 V Hình 4.19: Giá trị Uđ của các mẫu có chiều dày lớp CoFe thay đổi đo tại các từ trường Hbias khác nhau Thế đảo từ Uđ = 165, 300 và 250 V của các mẫu N1, M1 và P1 tương ứng tại cùng giá trị từ trường Hbias = 50 Oe tăng khi tăng chiều dày lớp CoFe (hình 4.19). Xu hướng là tương tự khi đo tại các giá trị từ trường Hbias khác nhau. Việc giảm chiều dày tổng cộng của lớp sắt từ có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm năng lượng tiêu thụ để có khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Với mẫu N1, quá trình đảo từ cảm ứng điện trường có thể đạt được khi Uđ = 150 V mà không cần từ trường Hbias. Kết quả này có thể mở ra khả năng ứng dụng cho các thiết bị lưu trữ dữ liệu với việc giảm kích thước và loại trừ hiệu ứng giao thoa từ các nam châm điện hay nam châm vĩnh cửu. Kết luận chương 4 Đã chế tạo được hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZTNiFe/CoFe bằng phún xạ trực tiếp màng mỏng từ lên đế áp điện PZT phân cực ngang. Các mẫu có tính từ mềm đặc trưng và dị hướng mặt phẳng chiếm ưu thế. Dưới tác dụng của điện thế, từ độ M có xu hướng tăng tuyến tính theo điện thế U. Mẫu N2 có Mmax = 530 emu, mẫu N4 có Mmin = 470 emu tại U = 400 V, Hbias = 50 Oe. Độ dốc M(U) giảm dần khi 0o. 17
Thế đảo từ Uđ phụ thuộc vào độ lớn và hướng của từ trường H bias. Đối với mẫu N2, Hbias = 0 Oe, Uđ = 70 V. Ảnh hưởng của điện thế, từ trường và chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ của cấu trúc tổ hợp cũng đã được nghiên cứu và giải thích định tính. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 5.1 Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp Hai cơ chế tương tác điện từ thông qua biến dạng và tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới có thể được sử dụng để giải thích các hiệu ứng điện từ trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp. Trong đó, tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới liên quan đến việc điều khiển trực tiếp dị hướng từ tinh thể bằng điện thế thông qua sự thay đổi cấu hình spin mặt phân giới. Riêng đối với tương tác điện từ thông qua biến dạng, điện trường ngoài tác động lên đế FE gây ra ứng suất dọc theo mặt phân giới và làm biến đổi dị hướng từ thông qua tương tác đàn hồi. Tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới thường được xem xét trong các màng FM siêu mỏng, còn tương tác điện từ thông qua biến dạng chi phối các màng FM dày hơn, dẫn đến sự điều khiển dị hướng từ bởi điện thế phụ thuộc vào chiều dày của lớp FM. Sự thay đổi tổng dị hướng từ dưới tác dụng của điện trường dọc theo chiều dày lớp áp điện có thể được biểu diễn theo tham số độ dày d trong công thức: (5.8) Đối với cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe có đế PZT phân cực dọc, độ dày tới hạn dcr là 1.95 nm. Độ dày chuyển pha dtr đối với hai cơ chế tương 18
tác điện từ khi các đóng góp từ hai cơ chế là bằng nhau, được ước tính là khoảng 0.2 nm. Như có thể thấy trên hình 5.5, sự bất đối xứng và giảm đơn điệu của HeffOP(U) được quan sát đối với cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe. Hơn nữa, nếu lấy phần thế dương tương ứng với ứng suất từ đế PZT là ứng suất nén (như giải thích ở mục 3.2) thì do màng NiFe/CoFe có hệ số từ giảo dương nên giữ cho trục dễ từ hoá nằm theo phương mặt phẳng. Như vậy, sự giảm của HeffOP tương tự như sự thay đổi của từ độ theo điện thế M(U) trên hình 3.10, phản ảnh tương tác điện từ thông qua biến dạng chiếm ưu thế, cũng như sự thay đổi dị hướng từ có thể được điều khiển bởi điện thế trong cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe này. Như vậy, bằng cách giải thích bán định lượng, chúng tôi đã chỉ ra rằng trong cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe, ứng suất nén do đế áp điện PZT gây ra sự giảm từ độ. Sự giảm của HeffOP tương tự như sự thay đổi của từ độ theo điện thế M(U) cho thấy cơ chế tương tác điện từ thông qua biến dạng chiếm ưu thế, đóng góp đến sự thay đổi dị hướng từ cảm ứng bởi điện thế. 19
Hình 5.5: Sự thay đổi cảm ứng điện trường của HeffOP trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe với các chiều dày lớp sắt từ khác nhau 5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố dị hướng lên quá trình định hướng spin của vật liệu đa pha sắt tổ hợp 5.2.1 Mô hình Trên hình 5.6 là sơ đồ cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe (đế PZT phân cực ngang) dùng để tính toán. Giả sử mômen từ của lớp NiFe la t ̀ ự ́ ̣ Mf) và cua l do (ky hiêu ̉ ớp CoFe la c ̀ ố định (ky hiêu ́ ̣ Mh), ban đầu co đ ́ ịnh hướng song song vơi h ́ ương [010] trong m ́ ặt phẳng. Một điện trường được cấp vào lớp sắt điện PZT gây nên sự thay đổi định hướng mômen từ 90o trong lớp sắt từ tự do, trong khi đó mômen từ của lớp cố định vẫn giữ vị trí ban đầu. Tương tác giữa mômen từ của hai lớp cố định và tự do khi lệch góc 90o sẽ tạo nên sự thay đôi tinh chât cua hê, ̉ ́ ́ ̉ ̣ ở đây là điên tr ̣ ở. Sự khác biệt về điện trở của hệ trong hai trường hợp Mf // Mh và Mf Mh có khả năng đặc trưng cho 2 trạng thái nhớ khác nhau (“0” và “1”) có thể được ứng dụng trong lưu trữ thông tin kiểu MERAM. Hình 5.6: a) Cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế PZT phân cực ngang b) Quá trình thay đổi định hướng mômen từ 90o trong lớp sắt từ tự do 20