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
Chữ viết
tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AFM

Atomic Force Microscope

Kính hiển vi lực nguyên tử

BLT

Bismuth Titanate Lanthanum

Bi4-xLaxTi3O12

CMOS

Complementary Metal-Oxide
Semiconductor
Dynamic Random Access Memory

Bán dẫn ô-xit kim loại bù

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

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

PLD

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

PZT

Lead Zircronate Titanate

Pb1.2Zr0.4Ti0.6O3

SBT

Strotium Bismuth Tantalate

SrBi2Nb2O9

SEM

Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

STO

Strontium Titanate

SrTiO3

DRAM
EEPROM
FeRAM
MEMS
MOCVD
NEMS
NVRAM
PECVD

ii

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động


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 JFC1200. .....................................................................................................................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 TiO 2/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 600 oC 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.

Trường ĐHKHTN

1

ĐHQGHN


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:

Trường ĐHKHTN

2

ĐHQGHN

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.

Trường ĐHKHTN

3

ĐHQGHN


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

Trường ĐHKHTN

4

ĐHQGHN


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.

Trường ĐHKHTN

5

ĐHQGHN


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].

Trường ĐHKHTN

6

ĐHQGHN


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 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 d 33 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].

1.1.2 Trong bộ nhớ FeRAM

Trường ĐHKHTN

7

ĐHQGHN


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

Trường ĐHKHTN

8

ĐHQGHN

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

Trường ĐHKHTN

9

ĐHQGHN


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

Trường ĐHKHTN

10

ĐHQGHN


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

Trường ĐHKHTN

11

ĐHQGHN


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

Trường ĐHKHTN

12

ĐHQGHN


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
các nguyên tố halogen khác như F, Cl hoặc các nguyên tố kim loại nhẹ như Ni, Co.
PZT được hình thành do sự kết hợp của PbZrO3- một chất phản sắt điện có cấu
trúc tinh thể trực thoi và PbTiO3- một chất sắt điện có cấu trúc perovskite tứ giác.
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

Trường ĐHKHTN

13

ĐHQGHN