Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micro nano trên nền sắt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Nguyễn Thị Minh Hồng

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT
ĐẶC TRƢNG CỦA TỔ HỢP CẤU TRÚC MICRO-NANO
TRÊN NỀN VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Nguyễn Thị Minh Hồng

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƢNG
CỦA TỔ HỢP CẤU TRÚC MICRO-NANO
TRÊN NỀN VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN



Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Phạm Đức Thắng
2. GS. TS. Nguyễn Hữu Đức
LỜI CAM ĐOAN
Hà Nội - 2017


Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu do tôi thực hiện. Các kết quả
nghiên cứu là trung thực, các tài liệu tham
khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ.


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép tôi bày tỏ sự tự hào và lòng biết ơn sâu sắc tới
hai ngƣời thầy đáng kính, PGS. TS. Phạm Đức Thắng và GS. TS. Nguyễn
Hữu Đức, những ngƣời thầy với kinh nghiệm trong nghiên cứu khoa học, đã
truyền cho tôi nhiệt huyết, tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi thực hiện thành
công luận án này.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo và các đồng
nghiệp trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Phòng thí nghiệm
trọng điểm Công nghệ micro và nano, Trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQGHN
đã quan tâm giúp đỡ, trao đổi kiến thức và kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại đây.

Tôi chân thành cảm ơn GS. TS. Dong-Hyun Kim, GS. TSKH. Nguyễn
Đình Đức, PGS. TS. Phan Thế Long đã hợp tác và hỗ trợ trong thời gian thực
hiện luận án. Đóng góp vào luận án này còn có sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu
quả của các đồng nghiệp Đặng Đình Long, Lê Việt Cƣờng, các nghiên cứu
sinh, học viên cao học Nguyễn Bá Đoàn, Nguyễn Huy Tiệp, Phạm Thái Hà,
Nguyễn Duy Tâm, Phạm Thị Huyền, Phạm Hồng Công, Nguyễn Ngọc Trung,
… - những ngƣời đã không quản ngại khó khăn cùng tôi thực hiện và triển
khai các ý tƣởng luận án.
Luận án này đƣợc hoàn thành với sự hỗ trợ một phần từ đề tài mã số
103.02-2015.80 của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia.


Những lời yêu thƣơng và lòng biết ơn sâu sắc con xin gửi tới bố, mẹ và
gia đình mình. Chính sự tin tƣởng và chăm lo mà gia đình đã dành cho con là
động lực lớn nhất giúp con vững bƣớc.
Lời cuối cùng cũng là lời cảm ơn chân thành và yêu thƣơng nhất, em
gửi tới anh và các con. Gia đình mình đã là nguồn động viên tinh thần to lớn
và ấm áp giúp em vƣợt qua những chặng đƣờng khó khăn suốt thời gian qua.

Nguyễn Thị Minh Hồng


MỤC L ỤC

Trang
MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN

6

1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ…...…………………….

6

1.1.1 Hiệu ứng áp điện…………………………………………..

6

1.1.2 Hiệu ứng từ giảo…………………………………………..

10

1.1.3 Hiệu ứng điện từ…………………………………………..

11

1.2 Vật liệu đa pha sắt………………………………………………..

13

1.2.1 Vật liệu đơn pha…………………………………………...

15

1.2.2 Vật liệu tổ hợp……………………………………………..

19

1.3 Cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trƣờng trong vật liệu đa pha
sắt………………………………………………………......

24

1.4 Khả năng ứng dụng của vật liệu đa pha sắt trong công nghệ

32

lưu trữ thôngtin……………………………………………………………
Kết luận chương 1……………………………………………………..

36

CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT
TÍNH CHẤT

37

2.1
Phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt loại tổ
hợp………………

37

2.1.1 Vật liệu……………………………………………………

37

2.1.2 Các phương pháp chế tạo…………………………..……..

41


2.2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học
.......

46

2.2.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể ……………………………........

46

2.2.2 Khảo sát cấu trúc vi mô …………………………………..

47

2.2.3 Xác định thành phần vật liệu ……..………………………

47

2.3 Các phương pháp đo tính chất điện, từ…………………………...

49

2.3.1 Nghiên cứu tính chất từ …………………………………...

49

2.3.2 Khảo sát tính chất điện…………………………………….

50

2.4 Phương pháp khảo sát sự thay đổi tính chất từ dưới tác dụng
của điện thế………………………………………………………………..

54

2.4.1 Phương pháp đo…………………………………………...

54

2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của điện thế và phương từ trường......

56

Kết luận chương 2…………………………………………………….

56

CHƢƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT
PHÂN CỰC DỌC

57

3.1 PZT/CoCr………………………………………………………..

57

3.2 PZT/NiFe/CoFe………………………………………………….

61

3.2.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần……………………

62

3.2.2 Tính chất từ ……………………………………………….

63

3.2.3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ …………………

67

3.2.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ
………

72


Kết luận chương 3……………………………………………………..

75

CHƢƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe
CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ PZT PHÂN CỰC NGANG

76

4.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần…………………………..

76

4.2 Tính chất từ……………………………………………………….

78

4.3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ ………………………..

81

4.3.1 Sự thay đổi của từ độ dưới tác dụng của điện thế….. …….
4.3.2 Quá trình đảo từ
thế………………
4.4

dưới tác

81

dụng của điện

89

Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ

94

……………...
4.5 Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ
……………

98

Kết luận chương 4……………………………………………………..
100
CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

10
2

5.1 Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ của vật liệu đa pha
sắt tổ hợp …………………….………………………………………..

Kết luận ……………………………………………………................
5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố dị hướng lên quá trình định hướng
mômen từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp ……………….…………….

10
2
11
1
11
1


5.2.1 Mô hình……………………………………………………

11
1

5.2.2 Kết quả…………………………………………………….

11
7

Kết luận……………………………………………………………….

12
0

KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

I. Các ký hiệu
Bi

Dị hƣớng từ đàn hồi

Cij

Hằng số đàn hồi
d

Độ dày

dtr

Độ dày chuyển pha

dcr

Độ dày tới hạn

dij

Hệ số tích điện

e

Độ biến dạng tự phát

eo

Biến dạng dƣ trong lớp sắt từ

E

Điện trƣờng
Ecr

Điện trƣờng tới hạn

Fmc

Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể

Fshape

Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng

Fme

Năng lƣợng dị hƣớng từ đàn hồi

FS

Năng lƣợng dị hƣớng bề mặt

Fshape

Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng

g

Hệ số thế áp điện

H

Từ trƣờng

Hbias

Từ trƣờng bias

HC

Lực kháng từ


H
m3

Trƣờng ứng suất
Cosin chỉ hƣớng

M

Từ độ

MS

Từ độ bão hòa (kỹ thuật)

MR

Từ độ dƣ

Kσ

Hằng số dị hƣớng ứng suất

KS

Hằng số dị hƣớng bề mặt

K1

Hằng số dị hƣớng từ tinh thể

P

Độ phân cực điện

TCM

Nhiệt độ tới hạn từ Curie

TCE

Nhiệt độ tới hạn điện Curie

U

Điện thế



Hệ số liên kết



Hằng số điện môi

εp(U)

Biến dạng của đế áp điện theo điện thế



Ứng suất



Từ giảo

HeffOP(U)

Sự thay đổi tổng dị hƣớng từ dƣới tác dụng của điện
trƣờng
Sự thay đổi của năng lƣợng dị hƣớng bề mặt

ΔKS (U)

II. Các chữ viết tắt


Chữ viết

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AFM

tắt

Antiferromagnatic

Phản sắt từ

CME

Converse magnetoelectric effect

Hiệu ứng điện từ ngƣợc

CMOS

Complementary metal oxide

CMOS

DRAM

semiconductor
Dynamic random access memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
động

DME

Direct magnetoelectric effect

Hiệu ứng điện từ thuận

EDS

Energy-dispersive X-rays

Kính hiển vi tán sắc năng

spectroscopy

lƣợng tia X

FE

Ferroelectric

Sắt điện

FM

Ferromagnetic

Sắt từ

FMR

Ferromagnetic resonance

Cộng hƣởng sắt từ

FESEM

Field emission scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét
phát xạ trƣờng

FRAM

Ferroelectric random access

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

Memory

sắt điện

GMR

Giant magneto-resistance

Từ trở khổng lồ

HVA

High voltage amplifier

Bộ khuếch đại cao áp

JCPDS

Joint committee on powder

Thẻ chuẩn nhiễu xạ

diffraction standards
MF

Multiferroics

Đa pha sắt

ME

Magnetoelectric effect

Hiệu ứng điện từ

MEC

Magnetoelectric coupling

Tƣơng tác điện từ

MPB

Morphotropic phase boundary

Biên pha hình thái học

MERAM

Magneto-electric random access

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

memories

điện từ

Magnetoresistance random access

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

memories

từ điện trở

Non-volatile random access

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

memory

không tự xóa

PVDF

Polyvinylidene fluoride

PVDF

PZT

Lead Zirconium Titanium

PbZrxTi1-xO3

SEM

Scanning electron microscope

Kính hiển vi điện tử quét

SRAM

Static random access memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

MRAM
NVRAM

tĩnh
SNR

Sign to noise ratio

Tỷ số nhiễu và tín hiệu

TMR

Tunneling magneto-resistance

Từ trở xuyên ngầm

VSM

Vibrating sample magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Một số vật liệu đa pha sắt loại đơn pha.
Bảng 1.2: Hệ số thế điện từ thuận DME của một số vật liệu đa pha sắt tổ hợp.
Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của vật liệu áp điện PZT.
Bảng 2.2: Các thông số chế tạo các lớp màng mỏng NiFe, CoFe.
Bảng 3.1: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu tổ hợp CoCr/PZT.
Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu D1, D2, D3 và D4.
Bảng 3.3: Sự thay đổi từ độ M, sự thay đổi từ độ trong dải điện thế tác động

M/U của các mẫu (đo tại Hbias = -50 Oe).
Bảng 3.4: Thế đảo từ Uđ(V) của các mẫu Di tại các từ trường khác nhau.
Bảng 3.5: Các giá trị M, Uđ của mẫu D1 đo theo các góc  khác nhau.
Bảng 4.1: Các thông số của mẫu vật liệu tổ hợp: lực kháng từ HC, từ độ bão hòa MS
và độ từ dư Mr đo theo các góc α khác nhau.
Bảng 4.2: Các giá trị độ thay đổi từ độ M và tỉ số M/U đo tại  = 0o
Bảng 4.3: Thế đảo từ Uđ của các mẫu Ni tại các từ trường khác nhau.
Bảng 4.4: Thế đảo từ Uđ của mẫu Ni đo tại các góc α khác nhau.
Bảng 4.5: Độ dốc (tg φ) của đường M(U) tại các góc α khác nhau.
Bảng 4.6: Độ biến thiên từ độ M ( = 0o) (emu) đo tại các giá trị điện thế
và từ trường Hbias khác nhau.
Bảng 4.7: Các thông số của mẫu vật liệu tổ hợp: lực kháng từ HC, từ độ bão hòa MS
và độ từ dư Mr đo theo các góc α khác nhau.
Bảng 4.8: Các giá trị độ thay đổi từ độ M và tỉ số M/U đo tại  = 0o.
Bảng 4.9: Thế đảo từ Uđ của các mẫu tại các từ trường Hbias khác nhau.
Bảng 4.10: Bảng tổng hợp so sánh hai hệ mẫu PZT/NiFe/CoFe với
đế PZT phân cực dọc và ngang.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện thuận và ngược.
Hình 1.2: Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu PZT: a) Khi chưa có điện thế b) Khi
có điện thế tác động.
Hình 1.3: a) Giản đồ pha của vật liệu PZT b) Ảnh hƣởng của tỷ lệ Zr/Ti lên
hằng số điện môi và hệ số áp điện của PZT.
Hình 1.4: Mối quan hệ của các thông số E, P, H, M, e, E trong hiệu ứng điện
từ.
Hình 1.5: Phân loại vật liệu đa pha sắt và vật liệu điện từ.
Hình 1.6: Cấu trúc của vật liệu đa pha sắt loại đơn pha và tổ hợp.

Hình 1.7: Cấu trúc của vật liệu perovskite ABO3: a) Ô cơ sở của perovskite,
b) Mạng tinh thể perovskite, c) Biến dạng cấu trúc tinh thể do lực điện tĩnh
giữa các ion, d) Phân cực điện của tinh thể.
Hình 1.8: Một số vật liệu đơn pha loại I nhƣ BiFeO3, REMnO3.
Hình 1.9: Một số vật liệu đơn pha loại II nhƣ HoMnO3, TbMn2O5.
Hình 1.10: Tương tác của vật liệu đa pha sắt tổ hợp với hai pha sắt từ và sắt
điện.
Hình 1.11: Minh họa một số cấu trúc vật liệu đa pha sắt tổ hợp: a) Dạng
cột, b) Lắng đọng từng lớp, c) Lắng đọng kết hợp kỹ thuật mặt nạ và tạo
mẫu, d) Lắng đọng ba pha, e) Dạng hạt, f) Dạng tấm, g) Dạng ô vuông, h)
Hạt phân tán thiêu kết.
Hình 1.12: Đƣờng trễ sắt điện P(E) và đƣờng trễ (E) của đế PZT đo
theo phƣơng mặt phẳng tại điện trƣờng E = 16 kV/cm và 8 kV/cm.


Hình 1.13: a) Tỉ số từ độ theo điện trƣờng với từ trƣờng trao Hbias = 3
Oe dƣới tác dụng của điện trƣờng E = 16 kV/cm và 8 kV/cm b) Tỉ số từ độ
của vật liệu tổ hợp FeGaB/PZT đo tại các xung thế dọc theo chiều dày với từ
trƣờng Hbias = 3 Oe.
Hình 1.14: Sự đảo từ cảm ứng điện trƣờng trong vật liệu
FeMn/NiFe/FeGaB/ PZT-PT: a) Đảo từ (góc gần 180o) gây ra bởi sự giảm
điện trƣờng với cấu hình = 55o và Hbias = 28 Oe, hình nhỏ chỉ ra đƣờng
cong từ trễ đo tại các điện trƣờng tại = 55o. Đƣờng liền và đứt nét mô tả
hƣớng đảo từ cảm ứng theo sự giảm của điện trƣờng khi có hoặc không có
Hbias, b) và c) Tỉ số từ độ đo tại các xung thế với từ trƣờng Hbias = -100 Oe.
Hình 1.15: a) Sự quay mômen từ cảm ứng điện trƣờng trong lớp Ni với
chiều dày 35 nm (vuông), 15 nm (tròn) và 5 nm (tam giác). mx chỉ ra từ độ
trong mặt phẳng [100]. b) Giản đồ vectơ đặc trƣng cho phân bố từ độ lƣỡng
bền tại E = 0, mx = 0.9538 (trái) và 0.0364 (phải) của lớp tự do Ni (thanh
màu), mz chỉ ra từ độ ngoài mặt phẳng [001]. c) Đƣờng trễ thay đổi điện trở

tƣơng đối dƣới tác động của điện trƣờng vuông góc với đế PMN-PT(011),
cùng với sự đảo từ trong lớp tự do.
Hình 1.16: Sự đảo từ cảm ứng điện trƣờng của cấu trúc MERAM dựa
trên vật liệu tổ hợp NiFe/NiCoO/glass/PZT-PT.
Hình 1.17: a) Đƣờng trễ từ Kerr đo tại nhiệt độ phòng tại các giá trị
điện trƣờng khác nhau -10 kV/cm < E < 10 kV/cm, b) HC(E ) đƣợc suy ra từ
(a) tƣơng ứng với sự thay đổi của điện trƣờng.
Hình 1.18: Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của một ô nhớ thông tin
MERAM sử dụng tổ hợp vật liệu đa pha sắt tổ hợp và cấu trúc từ - điện trở.
Hình 2.1: Đƣờng cong điện trễ P(U) của a) đế PZT phân cực ngang và b) đế
PZT phân cực dọc.


Hình 2.2: Sự phụ thuộc dòng rò theo thời gian của a) đế PZT phân cực ngang
và b) đế PZT phân cực dọc.
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào tần số của a) đế PZT phân
cực ngang và b) đế PZT phân cực dọc.
Hình 2.4: Hệ số từ giảo theo tỷ lệ thành phần của hai hợp kim a) NiFe và b)
CoFe.
Hình 2.5: Cấu trúc hệ vật liệu PZT/CoCr với đế PZT phân cực dọc.
Hình 2.6: Nguyên lý quá trình hình thành màng mỏng bằng phún xạ
catot.
Hình 2.7: Thiết bị phún xạ catot ATC 2000.
Hình 2.8: Hình ảnh FESEM xác định chiều dày hai lớp sắt từ ứng với
thời gian chế tạo lớp NiFe là 90 phút và thời gian chế tạo lớp CoFe là 10 phút.
Hình 2.9: Cấu trúc hệ vật liệu PZT/NiFe/CoFe với a) đế PZT phân cực dọc
và b) đế PZT phân cực ngang.
Hình 2.10: Ảnh chụp thiết bị XRD D8 Advance (Brucker).
Hình 2.11: Kính hiển vi điện tử quét SEM S3400 (Hitachi).
Hình 2.12: Phổ kế tán sắc năng lượng tia X JSM-7600F (JEOL).

Hình 2.13: Thiết bị từ kế mẫu rung VSM7404 (Lake Shore).
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer - Tower.
Hình 2.15: Thiết bị đo đƣờng cong điện trễ và dòng rò Precision LC 10
(Radiant).
Hình 2.16: Đặc trƣng dòng rò của một vật liệu điện môi.
Hình 2.17: Máy đo LCR PM-6303 (Tegam).
Hình 2.18: Cấu hình đo độ dịch chuyển.
Hình 2.19: Hiệu ứng điện từ trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp: a) Điện
trƣờng tác động gây ra sự thay đổi hình dạng của vật liệu áp điện. b) Ứng


suất cơ học làm thay đổi mômen từ của lớp từ giảo. c) Sự thay đổi từ độ
trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp sắt điện/sắt từ do điện trƣờng tác động.
Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo khảo sát quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện
trường.
Hình 2.21: Các cấu hình đo khác nhau theo góc .
Hình 3.1: a) Hình ảnh FESEM của bề mặt màng CoCr, b) Phổ EDS của
màng CoCr.
Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu tổ hợp P1, P2, P3 và P4.
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của các mẫu vật liệu tổ hợp PZT/CoCr.
Hình 3.4: Sự phụ thuộc từ độ vào điện thế tác động tại các từ trường ngoài
khác nhau đối với mẫu P2.
Hình 3.5: Hình ảnh SEM của mẫu PZT/NiFe/CoFe.
Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu D1.
Hình 3.7: Phổ tán sắc năng lƣợng EDS của mẫu D1.
Hình 3.8: Đường cong từ trễ M(H) của các mẫu PZT/NiFe/CoFe đo theo các
góc  khác nhau.
Hình 3.9: Sự phụ thuộc của lực kháng từ HC// và từ độ bão hòa MS// theo
chiều dày lớp đệm NiFe (chiều dày lớp CoFe cố định).
Hình 3.10: Sự phụ thuộc từ độ M của các mẫu Di vào điện thế U đo tại góc α

= 0o tại các từ trường khác nhau.
Hình 3.11: a) Biến dạng của 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 dọc.
Hình 3.12: Giá trị Uđ của các mẫu Di đo tại các từ trường khác nhau.
Hình 3.13: Sự phụ thuộc vào điện thế U của hệ số cảm trƣờng χ của các mẫu
Di.


Hình 3.14: Sự phụ thuộc từ độ của các mẫu D 1 vào điện thế tác dụng lên hai
cực lớp áp điê ̣n PZT khi đo theo các góc α khác nhau.
Hình 3.15: Sự phụ thuộc của từ độ vào hướng của từ trường M(α)
của mẫu D1 đo tại Hbias = 50 Oe trong trường hợp: a) U = 0 V, b) U = 100 V,
c) U = -100 V.
Hình 4.1: Ảnh SEM của mẫu PZT/NiFe/CoFe.
Hình 4.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của đế PZT và mẫu N1.
Hình 4.3: Phổ tán sắc năng lƣợng EDS của mẫu N1.
Hình 4.4: Đường cong từ trễ M(H) của các mẫu PZT/NiFe/CoFe.
Hình 4.5: Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa MS, lực kháng từ HC và độ từ dư
Mr vào chiều dày lớp đệm NiFe thay đổi (chiều dày lớp CoFe cố định).
Hình 4.6: Sự phụ thuộc từ độ theo điện thế của mẫu N1 tại các từ trƣờng
ngoài Hbias khác nhau đo theo các góc α khác nhau a)  = 0o, b)  = 45o, c) 
= 90o.
Hình 4.7: Sự phụ thuộc từ độ theo điện thế của mẫu N2 tại các từ trƣờng
ngoài Hbias khác nhau đo theo các góc α khác nhau a)  = 0o, b)  = 45o, c) 
= 90o.
Hình 4.8: Sự phụ thuộc từ độ theo điện thế của mẫu N3 tại các từ trƣờng
ngoài Hbias khác nhau đo theo các góc α khác nhau a a)  = 0o, b)  = 45o, c)
 = 90o.
Hình 4.9: Sự phụ thuộc từ độ theo điện thế của mẫu N4 tại các từ trƣờng
ngoài Hbias khác nhau đo theo các góc α khác nhau a)  = 0o, b)  = 45o, c) 

= 90o.
Hình 4.10: Tính chất từ của đế PZT khi đặt trong từ trường ngoài. Hình đi
kèm biểu diễn sự không phụ thuộc của tính chất từ của PZT vào điện thế.


Hình 4.11: Sự sắp xếp của các mômen từ dưới tác dụng của điện trường tác
động lên vật liệu tổ hợp có đế PZT phân cực ngang.
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.
Hình 4.13: Sự biến thiên của từ độ M theo thời gian t đo tại từ trường Hbias =
50 Oe và U = 0, 50 V.
Hình 4.14: Giá trị Uđ của các mẫu Ni đo tại các từ trường khác nhau.
Hình 4.15: Sự phụ thuộc vào thế của hệ số cảm trƣờng χ của các mẫu Ni.
Hình 4.16: Hình minh hoạ sự phụ thuộc của từ độ các mẫu Ni vào điện
thế tác dụng lên lớp áp điện PZT khi đo theo các góc α khác nhau.
Hình 4.17: Sự phụ thuộc của từ độ vào hướng và cường độ của từ trường
của mẫu N1 trong trường hợp: a) U = 0 V, b) U =100 V.
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.
Hình 5.1: Hiệu ứng điện từ trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp.
Hình 5.2: Mô hình tương tác điện từ thông qua biến dạng.
Hình 5.3: Mô hình tương tác điện từ thông qua điện tích mặt phân giới.
Hình 5.4: Biến dạng áp điện theo phương mặt phẳng ep của đế PZT.
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.


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 NiFe.
cr
Hình 5.7: Sự phụ thuộc của điện trường thuận E crfsw và nghịch Ebsw

vào chiều dày d của lớp sắt từ tự do (không xét đến năng lượng bề mặt).
cr
Hình 5.8: Sự phụ thuộc của điện trường thuận E crfsw và nghịch Ebsw
vào chiều

dày d của lớp sắt từ tự do (có xét đến năng lượng bề mặt
M0
M
Fsurf  Fsurf
 Fsurf



d

m12 ).

cr
Hình 5.9: Sự phụ thuộc của điện trường thuận E crfsw và nghịch Ebsw
vào chiều

dày d của lớp sắt từ tự do (có xét đến năng lượng bề mặt
M0
M
Fsurf  Fsurf
 Fsurf




d

m12 ).


MỞ ĐẦU

Vâ ̣t liê ̣u đa pha s ắt tổ hợp là vật liệu có các tính chất sắt điện và sắt từ tồn tại
trong tƣ̀ng pha vâ ̣t liê ̣u riêng biê ̣t 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 ngƣời ta có thể tạo ra vật
liệu đa pha sắt tổ hợp có các ƣu điểm của cả hai pha vật liệu.
Trong các nghiên cứu về vật liệu đa pha sắt, hƣớng nghiên cứu về khả năng
điều khiển tính chất từ của vật liệu bằng điện thế (điện trƣờng) thay vì sử dụng từ
trƣờng đang thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học bởi khả năng ứng dụng
trong công nghệ lƣu trữ thông tin. Dựa trên nguyên lý này, một thế hệ lƣu trữ thông
tin gọi tên là MERAM (Magneto-Electric Random Access Memories) mới đƣợc
hứa hẹn có thể thay thế đƣợc các bộ nhớ từ MRAM trong tƣơng 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 đƣợc thực hiện dƣới tác
dụng của điện trƣờng ngoài. Bộ nhớ MERAM ứng dụng cơ chế đảo từ bằng điện
trƣờng có các ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp truyền thống nhƣ mật độ
lƣu trữ thông tin cao, tốc độ ghi bộ nhớ nhanh, giảm năng lƣợng tiêu thụ, khi ghi
thông tin ít gây ảnh hƣởng đến các ô nhớ xung quanh.
Hòa nhịp với sự phát triển các hƣớng 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 micro và nano thuộc Trƣờng Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà
Nội) đã triển khai các nghiên cứu cơ bản và định hƣớng ứng dụng vật liệu đa pha
sắt tổ hợp. Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trên các tạp chí khoa học quốc
tế có uy tín và hƣớng đến ứng dụng là bƣớc khởi đầu, khích lệ nhóm nghiên cứu
tiếp tục triển khai các đề tài khoa học theo lĩnh vực này [116,123].
1


Mục tiêu nghiên cứu của Luận án:
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của một số vật
liệu đa pha sắt tổ hợp trên nền vật liệu PZT và hợp kim 3d bằng phƣơng pháp kết
dính và phún xạ, phù hợp với điều kiện công nghệ tại Việt Nam, sử dụng vật liệu sắt
điện (PZT) và các màng mỏng sắt từ (CoCr, NiFe, CoFe). Từ đó nghiên cứu ảnh
hƣởng của điện thế (điện trƣờng) lên sự thay đổi tính chất từ và định hƣớng của từ
độ trong các vật liệu tổ hợp này thông qua việc khảo sát một số tính chất vi cấu trúc,
tính chất điện, từ và nghiên cứu cơ chế điều khiển từ độ bằng điện trƣờng trong các
cấu trúc tổ hợp PZT/CoCr, PZT/NiFe/CoFe.
Nội dung nghiên cứu của Luận án:
- Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu đa pha sắt tổ hợp bằng phƣơng pháp kết
dính và phún xạ sử dụng vật liệu sắt điện (PZT) và các màng mỏng sắt từ (CoCr,
NiFe, CoFe). Các hệ mẫu đƣợc chế tạo bằng hai phƣơng pháp kết dính và phún xạ
trực tiếp các màng sắt từ lên đế áp điện phân cực ngang và phân cực dọc. Ba hệ mẫu
đƣợc nghiên cứu trong luận án là: (1) Hệ CoCr/PZT với đế PZT phân cực dọc, (2)
Hệ NiFe/CoFe/PZT với đế PZT phân cực ngang và (3) Hệ NiFe/CoFe/PZT với đế
PZT phân cực dọc.
- Khảo sát một số tính chất vi cấu trúc, tính chất điện, từ của vật liệu sử dụng
các thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao. Bên cạnh đó nghiên cứu cơ chế điều
khiển từ độ bằng điện trƣờng trong các cấu trúc tổ hợp PZT/CoCr, PZT/NiFe/CoFe
(quá trình đảo từ cảm ứng điện trƣờng, ảnh hƣởng của phƣơng từ trƣờng, ảnh hƣởng
của chiều dày lớp sắt từ).

- Áp dụng các mô hình lý thuyết và tính toán để giải thích ảnh hƣởng của điện
trƣờng đến tính chất từ của vật liệu tổ hợp, tìm hiểu khả năng tƣơng tác giữa hai pha
trong vật liệu và bản chất vật lý của hiệu ứng điện từ.

2


Đối tƣợng nghiên cứu của Luận án:
- Hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/CoCr chế tạo bằng phƣơng pháp kết dính
vật liệu sắt từ CoCr với đế PZT phân cực dọc.
- Hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe với các đế PZT phân cực
ngang và phân cực dọc. Các lớp sắt từ NiFe, CoFe đƣợc phún xạ trực tiếp lên các đế
PZT bằng phƣơng pháp phún xạ catot.
Phƣơng pháp nghiên cứu của Luận án:
- Chế tạo vật liệu đa pha sắt tổ hợp bằng phƣơng pháp kết dính và phƣơng
pháp phún xạ trực tiếp.
- Nghiên cứu cấu trúc tinh thể và thành phần bằng các thiết bị nhiễu xạ tia X

(XRD) và phổ tán sắc năng lƣợng (EDS).
- Nghiên cứu hình thái học bề mặt và cấu trúc vi mô bằng các kính hiển vi
điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM).
- Khảo sát các tính chất từ của vật liệu sắt từ thông qua hệ từ kế mẫu rung
(VSM).
- Khảo sát các tính chất sắt điện sử dụng các thiết bị đo các tính chất điện và
sắt điện.
- Tính toán lý thuyết, giải thích hiệu ứng và nghiên cứu ảnh hƣởng của điện
trƣờng và các yếu tố dị hƣớng lên tính chất của vật liệu đa pha sắt tổ hợp.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu đa pha sắt tổ hợp sắt điện - sắt từ có ý
nghĩa trong nghiên cứu cơ bản cũng nhƣ định hƣớng ứng dụng. Trong luận án này

chúng tôi đã chế tạo đƣợc các hệ vật liệu PZT/CoCr và PZT/NiFe/CoFe bằng các
phƣơng pháp kết dính và phún xạ trực tiếp các lớp sắt từ lên đế áp điện.
Hai hệ vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế PZT phân cực dọc và ngang lần đầu
tiên đƣợc nghiên cứu tại Việt Nam, sử dụng phƣơng pháp phún xạ trực tiếp có nhiều
3


ƣu điểm so với các phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổ hợp truyền thống trên thế giới
nhƣ phƣơng pháp nung thiêu kết, sol - gel, phƣơng pháp thủy phân nhiệt, phƣơng
pháp kết dính … Câu hỏi đặt ra là trong luận án này sẽ sử dụng phƣơng pháp chế
tạo nào, ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp và tìm ra phƣơng pháp chế tạo phù
hợp với điều kiện công nghệ tại Việt Nam. Do cấu trúc tổ hợp đƣợc xác định là
dạng lớp nên chúng tôi đã nghiên cứu và lựa chọn hai phƣơng pháp chính: phƣơng
pháp kết dính để chế tạo cấu trúc tổ hợp PZT/CoCr và phƣơng pháp phún xạ trực
tiếp màng sắt từ lên đế sắt điện để chế tạo cấu trúc tổ hợp PZT/NiFe/CoFe. Phƣơng
pháp phún xạ trực tiếp có nhiều ƣu điểm nhƣ: loại bỏ đƣợc pha trung gian, cho phép
ứng suất truyền trực tiếp giữa hai pha sắt điện và sắt từ và tƣơng tác điện từ đƣợc
tăng cƣờng giữa hai pha.
Bằng việc khảo sát quá trình đảo từ cảm ứng điện thế, chúng ta có thể nghiên
cứu sự thay đổi về định hƣớng và độ lớn từ độ bằng điện trƣờng, một khả năng có
thể thay thế cho cơ chế đảo từ truyền thống bằng từ trƣờng hoặc dòng điện. Dựa vào
cơ chế điều khiển mới này, vật liệu tổ hợp có thể đƣợc xem xét trong việc lƣu trữ
thông tin nhƣ các bộ nhớ MERAM trong tƣơng lai.
Kết cấu của Luận án:
Ngoài phần Mở đầu, các Danh mục (các ký hiệu và chữ viết tắt, các bảng, các
hình vẽ, đồ thị), Kết luận chung, Danh mục các công trình khoa học đã công bố của
luận án và Tài liệu tham khảo, nội dung của luận án bao gồm 5 chƣơng nhƣ sau:
- Chƣơng 1: Tổng quan về hiệu ứng điện từ, vật liệu đa pha sắt, cơ chế điều
khiển tính chất từ bằng điện trƣờng và khả năng ứng dụng vật liệu đa pha sắt trong
lƣu trữ thông tin.

- Chƣơng 2: Các phƣơng pháp chế tạo mẫu và khảo sát các tính chất điện từ
của vật liệu tổ hợp và khảo sát quá trình đảo từ cảm ứng điện thế.

4