ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN BÁ ĐOÀN VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC MICRO – NANO
TRÊN NỀN PZT: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO
VÀ CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 - Tổng quan về vật liệu sắt điện, sắt từ và multiferroics 2
1.1. Tổng quan về vật liệu sắt điện 2
1.1.1. Vật liệu sắt điện 2
1.1.2. Vật liệu có cấu trúc perovskite 3
1.1.3. Tính chất và ứng dụng chung của oxide perovskite 4
1.1.4. Vật liệu Pb(Zr,Ti)O
3
(PZT) 4
1.1.5. Ứng dụng của vật liệu PZT 6
1.2. Vật liệu sắt từ 10
1.3. Vật liệu đa pha sắt (multiferroics) 11
1.3.1. Vật liệu multiferroics đơn pha 11
1.3.2. Vật liệu tổ hợp đa pha 13
1.3.3. Vật liệu có cấu trúc nhân tạo 15
1.4. Một số hiệu ứng đặc biệt của các vật liệu sắt điện và sắt từ 16
1.4.1. Hiện tượng áp điện (piezoelectric effect) 16
1.4.2. Hiện tượng từ giảo (magnetostrictive effect) 16
1.4.3. Hiệu ứng điện – từ (magnetoelectric effect) 17
1.4.4. Một số ứng dụng của hiệu ứng điện – từ 18
Chương 2 - Chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng 21
2.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu PZT 21
2.1.1. Phương pháp solgel 21
2.1.2. Phương pháp phún xạ sputtering 22
2.1.3. Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) 24
2.1.4. Phương pháp lắng đọng bằng xung laser (PLD) 24
2.1.5 Phương pháp lắng đọng bằng xung điện tử (PED) 26
2.3. Các phương pháp khảo sát tính chất 32
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 32
BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. n tr ca vt liu sn 3
Hình 1.2. Cu trúc tinh th ca h perovskite ABO
3
3
Hình 1.3. Gi pha ca vt liu PZT 5
Hình 1.4. ng ca t l Zr/Ti lên hng s n môi và h s n ca PZT 5
Hình 1.5. Cu trúc tinh th ca gm PZT theo nhi 6
Hình 1.6. Cu trúc ca (a) b nh Flash và (b) b nh FRAM [12] 8
Hình 1.7. S hình thành sóng âm b mt 9
Hình 1.8. Cn cc c PZT 9
Hình 1.9. ng dc ch to t màng mng sn 9
Hình 1.10. ng cong t tr ca vt liu st t 10
Hình 1.11. Cu trúc perovskite 12
Hình 1.12. Cu trúc perovskite ca YMnO
3
12
Hình 1.13. Các vt liu t hp t  n  (a) Dp, (b) Dng cu trúc
ct 15
Hình 1.14. Hin (a) S phân cn trong vt liu, (b) Vt liu chu
ng sun áp, (c) Vt chu ng sun áp, (d)  n
ng ngoài làm vt liu dài ra, (e)  ng ngoài làm vt liu co ngn li. 16


 = 0
o
) 43
Hình 3.5. Ph nhiu x X-ray ca các mu MN
13
i các th khác nhau 44
Hình 3.6. Ph nhiu x X-ray ca các mu MN
63
i các th khác nhau 44
Hình 3.7. S ph thuc t  ca các mu MN
13
, MN
23
,

MN
43
,

MN
63
ng
ti các t ng ngoài khác nhau. 45
Hình 3.8. n tr c n PZT phân cc ngang 46
Hình 3.9. S ph thuc dòng rò theo thi gian c PZT phân cc ngang 46
Hình 3.10. S ph thun áp c cm tng  ca mu MN
63
47
Hình 3.11. S ph thuc t  ca các mu MN

Hình 3.20. S ph thuc ca t  mu MD
63
n th ti các t ng khác

o
và vuông góc 56
Hình 3.21. H s t gi
80
Fe
20
, (b) Co
50
Fe
50

57
Hình 3.22. Gi nhiu x tia X ca các mu theo nhi ch to 60
Hình 3.23. nh AFM mu M008, mu M004 và mu M005 ch to lt ti (a)
600
o
C, (b) 550
o
C và (c) 500
o
C 60
Hình 3.24. Gi nhiu x tia X ca các mu theo thi gian ch to màng 61
Hình 3.25. nh AFM mu M010 ch to trong 90 phút 61
Hình 3.26. Gi nhiu x tia X ca mu M018 ch to vi thi gian 120 phút 62
Hình 3.27. nh AFM ca mu M018 ch to vi thi gian 120 phút 62
Hình 3.28. Gi nhiu x tia X ca mu PZT theo thi gian  63

Bán dẫn oxit kim loại bù
DRAM
Dynamic Random Access
Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động
FRAM
Ferroelectric Random Access
Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt
điện
MBE
Molecular beam epitaxy
Epitaxy chùm phân tử
MLC
Multilayer ceramic capacitor
Tụ điện gốm đa lớp
PED
Pulsed Electron Deposition
Bốc bay dùng xung điện tử
PLD
Pulsed Laser Deposition
Bốc bay dùng laser xung
PZT
Lead Zirconium Titanium
PbZr
x
Ti
1-x
O
3


1

MỞ ĐẦU
Multiferroics là vật liệu đa pha điện - từ trong đó có sự tồn tại đồng thời của các
pha với các tính chất điện và từ riêng rẽ. Vật liệu multiferroics được các nhà khoa học
trên thế giới quan tâm nghiên cứu do các tính chất đa dạng cũng như khả năng ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp điện - điện tử, công nghệ thông tin, … Các
nghiên cứu cho thấy vật liệu multiferroics dạng tổ hợp có tính chất tốt hơn nhiều so
với vật liệu đơn pha. Các nghiên cứu cũng cho thấy bằng cách tổ hợp vật liệu áp điện
với phẩm chất cao với các vật liệu sắt từ với tính chất tốt có thể tạo ra vật liệu tổ hợp
có ưu điểm của cả hai vật liệu.
Các vật liệu có cấu trúc perovskite ABO
3
với A và B là các ion dương, O là Oxy
có nhiều có tính chất đa dạng, phụ thuộc mạnh vào thành phần cấu tạo cũng như sự sắp
xếp của các ion dương trong ô đơn vị của mạng tinh thể. Vật liệu có cấu trúc
perovskite thể hiện các tính chất rất phong phú, đa dạng. Trong các vật liệu áp điện
hiện nay, vật liệu PZT cấu trúc perovskite với các tính chất nổi trội như độ phân cực
điện dư lớn, tính áp điện mạnh, nhiệt độ Curie cao, hằng số điện môi lớn nên có khả
năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Với xu thế phát triển của xã hội hiện nay, các thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao, tiêu
thụ ít năng lượng đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Trong số đó,
hướng nghiên cứu về khả năng điều khiển tính chất từ của vật liệu bằng điện áp/điện
trường thay vì sử dụng từ trường thông thường đang thu hút được sự quan tâm của các
nhà khoa học không chỉ bởi việc cần sử dụng ít năng lượng hơn mà còn bởi khả năng
ứng dụng của vật liệu này trong công nghệ lưu trữ thông tin và lĩnh vực vi điện tử.
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 Công nghệ micro-
nano thuộc trường Đại học công nghệ đang triển khai các nghiên cứu về vật liệu sắt

, còn gọi là độ phân cực điện. Độ phân cực điện là tổng các vector mômen
lưỡng cực của các phân tử trong một đơn vị thể tích của khối điện môi.
V
v
p
P
i



trong đó
P

là vectơ phân cực điện (
2
mC
)
,
p
là vectơ mômen lưỡng cực điện trong
đơn vị thể tích
i
v

(i=1, 2, ), V là tổng các thể tích
i
v
.
Độ phân cực điện tỉ lệ với cường độ điện trường ngoài
E

3

đầu. Khi cường độ điện trường ngoài bằng 0 thì độ phân cực không về giá trị 0 mà tồn
tại một độ phân cực nhất định gọi là độ phân cực dư P
r
(điểm D). Để triệt tiêu hoàn
toàn độ phân cực dư này, cần tăng cường độ điện trường theo hướng ngược lại đến giá
trị điện trường gọi là điện trường khử phân cực hay lực kháng điện E
c
(điểm F). Tiếp
tục tăng cường độ điện trường theo chiều này (đoạn FG), độ phân cực điện đảo chiều
và cũng tăng dần cho đến giá trị P
s
. Giảm dần cường độ điện trường và tăng theo
hướng ngược lại, ta sẽ thu được đường cong khép kín gọi là đường cong điện trễ.

Hình 1.1. n tr ca vt liu sn
1.1.2. Vật liệu có cấu trúc perovskite
Trong số các vật liệu có cả tính sắt điện và áp điện, các oxit có cấu trúc
perovskite 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 cấu trúc của CaTiO
3
, với công thức cấu tạo chung là ABO
3
,
trong đó A, B là các ion dương có bán kính khác nhau, nhưng thông thường bán kính
ion dương A lớn hơn so với ion dương B. Cấu trúc của perovskite là biến thể của cấu
trúc lập phương với các 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 O

cứu với nhiều khả năng ứng dụng trong thực tế. Sự phân cực tự phát cho phép vật liệu
này có thể được sử dụng trong máy phát điện, bộ truyền động cơ điện, điều khiển tần
số, máy phát và dò năng lượng âm và siêu âm; chế tạo các cảm biến từ siêu nhạy, chế
tạo bộ nhớ và mạch logic trong máy tính, Ngoài ra, perovskite còn có tính chất hấp
phụ và xúc tác nên có thể được sử dụng trong các pin nhiên liệu.
1.1.4. Vật liệu Pb(Zr,Ti)O
3
(PZT)
Một trong các vật liệu áp điện có cấu trúc perovskite điển hình là PZT. Đây là vật
liệu được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với nhiều tính chất lý thú có thể
được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. PZT được hình thành do sự kết hợp của PbZrO
3
- một chất phản sắt điện có cấu trúc tinh thể trực thoi và PbTiO
3
- một chất sắt điện có
cấu trúc perovskite tứ giác. PZT có cấu trúc tinh thể dạng perovskite với các ion Ti
4+

và Zr
4+
đóng vai trò là cation B
4+
một cách ngẫu nhiên. Giản đồ pha của PZT được
trình bày ở hình 1.3.
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 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 1.5. Cu trúc tinh th ca gm PZT theo nhi
Ở pha tứ diện, sự phân cực tự phát dọc theo họ hướng [110] trong khi ở pha trực
thoi, sự phân cực lại dọc theo họ hướng <111>. Nếu tỷ lệ Zr/Ti dưới 95/5 thì vật liệu là
phản sắt điện và có pha trực thoi [4, 8].
Để phù hợp với một số yêu cầu đặc biệt trong các ứng dụng nhất định, vật liệu
gốm áp điện có thể được thay đổi bằng cách pha tạp chúng với các ion có hóa trị khác
với các ion trong mạng tinh thể. Gốm áp điện PZT có thể pha tạp các ion để tạo thành
PZT “cứng” và “mềm”. PZT cứng được pha tạp với ion acceptor như K
+
, Na
+
cho vị
trí của A và Fe
3+
, Al
3+
, Mn
3+
cho vị trí của B, gây ra sự thiếu oxi trong mạng tinh thể.
PZT cứng thường có hằng số điện môi thấp hơn, sự mất mát điện thấp hơn và hệ số áp
điện thấp hơn, vật liệu này khó phân cực. Bên cạnh đó, PZT mềm được pha tạp các ion
donor như La
3+
cho vị trí A và Nb
5+
, Sb
5+
cho vị trí B dẫn đến sự thiếu hụt của A trong
mạng tinh thể. PZT mềm có hằng số điện môi cao hơn, sự mất mát về điện lớn hơn, hệ
số áp điện cao hơn và dễ dàng phân cực. Do đó chúng có thể được sử dụng trong các

cao (15000) so với 5 hoặc 10 của vật liệu gốm và polymer thông thường. Việc chế tạo
tụ điện dạng đĩa từ gốm BaTiO
3
có hằng số điện môi cao là đơn giản và chiếm trên
50% thị trường tụ điện gốm.
Hiệu suất có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách sử dụng tụ điện gốm đa lớp
(MLC). Cấu trúc của tụ điện MLC bao gồm các lớp vật liệu điện môi và điện cực xem
kẽ nhau. Do tiến bộ của công nghệ, các lớp điện cực có thể được chế tạo với chiều dày
< 20µm. Điều này kết hợp với việc sử dụng vật liệu gốm có hằng số điện môi cao như
BTO và PZT cho phép chế tạo các tụ điện có kích thước nhỏ nhưng giá trị điện dung
rất lớn.
b. B nh sn
Các bộ nhớ bán dẫn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) và bộ nhớ
truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) đang được sử dụng phổ biến trên thị trường hiện
nay. Tuy nhiên các bộ nhớ này có nhược điểm là bị mất thông tin lưu khi tắt nguồn
nuôi. Một số bộ nhớ không tự xóa như các CMOS có hỗ trợ pin và các bộ nhớ chỉ đọc
có khả năng xóa bằng điện (EEPROM). Nhưng nói chung các bộ nhớ không tự xóa
này rất đắt. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện (FRAM) có nhiều ưu điểm như:
không tự xóa, tương thích với mạch CMOS và GaAs, tốc độ đọc, ghi cao khoảng 30 ns
và mật độ thông tin lớn (kích thước ô nhớ 4 µm
2
). Hình 1.6 cho thấy cấu trúc thông
thường của bộ nhớ flash và bộ nhớ FRAM.
Vật liệu sắt điện có độ phân cực tự phát ở nhiệt độ thấp hơn T
C
nên độ lớn và
hướng của độ phân cực có thể được đảo chiều dưới tác dụng của điện trường ngoài. Do
đó, FRAM chế tạo từ màng mỏng sắt điện có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu.
FRAM là bộ nhớ không tự xóa, trạng thái vẫn được duy trì khi tắt nguồn nuôi. Bộ nhớ
FRAM có thể sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt như ngoài không gian [23,

c. Thit b sóng siêu âm b mt
Hình 1.7 minh họa thiết bị sóng âm bề mặt (SAW) được chế tạo bằng phương
pháp lắng đọng điện cực răng lược trên bề mặt của một đế áp điện. Những thiết bị này
chủ yếu được sử dụng cho bộ lọc trong TV và các ứng dụng truyền thông vi sóng.
Những năm gần đây, các đế đơn tinh thể áp điện thường được chế tạo từ LiNbO
3
,
LiTaO
3
và PZT đã được sử dụng làm đế của SAW. Vật liệu dùng làm các cặp điện cực
răng lược thường là các kim loại như Au, Pt,…
9 Hình 1.7. S hình thành sóng âm b mt
Trong một thiết bị SAW, sóng âm bề mặt được sinh ra trên bề mặt của một vật
liệu áp điện bằng cách sử dụng các cặp điện cực răng lược đặt trên đế áp điện (hình
1.8). Một sóng đàn hồi được tạo ra ở lối vào của cặp điện cực răng lược đầu vào sẽ lan
truyền dọc theo bề mặt của đế áp điện và được thu bởi cặp điện cực đầu ra.

Hình 1.8. Cn cc c PZT

Các điện cực răng lược được sắp xếp xen kẽ nhau, khoảng cách giữa các điện
cực thông thường bằng bề rộng của các điện cực. Hai cặp điện cực răng lược được chế
tạo trên đế áp điện trong cấu trúc cảm biến SAW được đặt cách nhau một khoảng L.
Để làm việc ở một tần số cao thì khoảng cách giữa các điện cực và bề rộng của chúng
phải nhỏ cỡ vài chục µm. Tần số của sóng phụ thuộc vào bề rộng của các điện cực.
Khi thay đổi khoảng cách bề rộng của điện cực thì tần số làm việc thiết bị SAW có thể
thay đổi, thông thường nằm trong dải vài Hz đến GHz.
d. Ch to ng dn sóng

- Từ độ bão hòa M
S
: từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa, khi đó tất cả các
mômen từ của chất sắt từ song song với từ trường ngoài.
- Độ từ dư M
r
: giá trị từ độ khi từ trường ở giá trị 0.
- Lực kháng từ H
C
: giá trị từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của mẫu.
- Năng lượng (BH)
max
: năng lượng từ cực đại

Hình 1.10. ng cong t tr ca vt liu st t
Vật liệu sắt từ được phân chia thành vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng. Vật liệu
từ mềm dễ từ hóa và khử từ, H
C
nhỏ nằm trong khoảng 10
-1
÷ 10
-2
A/m, độ từ dư nhỏ,
năng lượng (BH)
max
thấp. Ni, Fe, NiFe… là một số vật liệu từ mềm điển hình. Trong
11

khi đó, vật liệu từ cứng khó từ hóa và khó khử từ. Vật liệu từ cứng đặc trưng bởi lực
kháng từ H

về khoa học và công nghệ nano.
1.3.1. Vật liệu multiferroics đơn pha
Vật liệu multiferroics đơn pha là loại vật liệu đồng nhất về thành phần nhưng thể
hiện đồng thời các tính chất của các pha điện và từ khác nhau. Về cơ bản có thể chia
thành một số nhóm chính dựa trên cấu trúc tinh thể như sau [17]:
- Vật liệu có cấu trúc perovskite ABO
3
trong đó các ion từ chiếm một phần hay
toàn bộ các vị trí bát diện như BiFeO
3
, Pb(Fe
2/3
W
1/3
)O
3
, Pb(Fe
1/2
Nb
1/2
)O
3
, , … Điển
hình trong số này là hệ Bi
m+1
M
m
O
3m+3
(M = Fe


Hình 1.12. Cu trúc perovskite ca YMnO
3

Nguyên tử Mn nằm bên trong khối tam diện, trong khi những nguyên tử đất hiếm
nằm giữa các lớp của hình chóp. Các vật liệu này thể hiện tính phản sắt từ hoặc sắt từ
yếu [12, 39, 21].
- Hợp chất chứa nguyên tố Bo với công thức tổng quát M
3
B
7
O
13
X trong đó M =
Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, và X = Cl, Br, I. Bên cạnh đặc tính sắt điện, các hợp chất này
còn là phản sắt từ hoặc sắt từ yếu. Nhiệt độ chuyển pha trật tự sắt điện – thuận điện
của các vật liệu này thấp hơn nhiệt độ phòng.
- Hợp chất BaMF
4
với M = Hn, Fe, Co, Ni, có cấu trúc tinh thể dạng trực thoi ở
nhiệt độ cao. Hợp chất này có tính sắt điện hoặc hỏa điện. Nhiệt độ chuyển pha điện
rất gần với nhiệt độ nóng chảy. Ở nhiệt độ đủ cao, cấu trúc phản sắt từ hay sắt từ yếu
xuất hiện cùng với các tính chất từ đàn hồi [13, 29, 30, 31].
Trên bảng 1.1 dưới đây đưa ra một số vật liệu multiferroics đơn pha cùng với các
nhiệt độ chuyển pha điện và từ tương ứng.

13

Bảng 1.1. Mt s vt li  T
ce


FE
AFM
387
143
Pb(Mn
2/3
W
1/3
)O
3

AFE
AFM
473
203
Pb(Fe
1/2
Ta
1/2
)O
3

FE
AFM
233
180
Eu
1/2
Ba

3

FE
AFM/WFM
983
87.3
HoMnO
3

FE
AFM/WFM
873
76
ErMnO
3

FE
AFM
883
79
ScMnO
3

FE
AFM
–
120
β-NaFeO
2
14

Bảng 1.2 Mt s vt liu multiferroics t h
Vật liệu tổ hợp
Phương pháp chế tạo
BaTiO
3
-CoFe
2
O
4

- Phản ứng ở pha rắn
- Bốc bay bằng laser xung
BaTiO
3
-NiFe
2
O
4

- Phản ứng ở pha rắn
BaTiO
3
-Ni(Co, Mn)Fe
2

2
O
4

- Phản ứng ở pha rắn
- Kết dính dạng tấm
- Bốc bay bằng laser xung
PZT-Terfenol D
- Kết dính dạng tấm
Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O
3
-Terfenol-D
- Kết dính dạng tấm
Trước đây, đa phần các nghiên cứu về các vật liệu tổ hợp tập trung vào các vật
liệu khối hoặc vật liệu tổ hợp dạng lớp được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha
rắn. Điển hình là nghiên cứu của J. Van Suchetelene (Hà Lan, 1972) trên vật liệu
BaTiO
3
-CoFe
2
O
4
[25]. Tuy nhiên các phản ứng hóa học và sự khuếch tán của nguyên
tử không mong muốn trong quá trình chế tạo các vật liệu tổ hợp loại này làm xuất hiện
pha thứ 3, dẫn tới việc giảm độ phân cực điện hoặc tính chất từ giảo của chúng trong
từng pha riêng rẽ. Để vượt qua được trở ngại này, việc chế tạo các tổ hợp dưới dạng

keo epoxy trung gian để gắn kết hai pha sẽ khó xử lý về mặt độ dày, ảnh hưởng của
lớp trung gian này. Vì vậy các nghiên cứu vật liệu tổ hợp với hợp kim từ có giá thành
thấp như các kim loại chuyển tiếp, với H
bias
thấp, hiệu ứng điện-từ lớn và có thể chế
tạo vật liệu tổ hợp không dùng lớp gắn kết là mục tiêu được luận văn hướng đến.
Trong luận văn này, các vật liệu tổ hợp được chế tạo sử dụng phương pháp phún xạ,
phương pháp bốc bay bằng laser xung/xung điện tử.
1.3.3. Vật liệu có cấu trúc nhân tạo
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị hiện đại đã
cho phép con người quan sát được các kích thước nhỏ cỡ nguyên tử và thậm chí điều
khiển và sắp xếp chúng thành các cấu trúc mong muốn với kích thước nanomet hoặc
nhỏ hơn. Có thể kể đến các ví dụ điển hình sau:
- Cấu trúc siêu mạng (La,Ca)MnO
3
– BaTiO
3
bao gồm từng lớp các pha thành
phần sắt từ (La,Ca)MnO
3
và áp điện BaTiO
3
độ dày mỗi lớp cỡ vài lớp nguyên tử, xen
kẽ nhau. Nhờ cấu trúc siêu mỏng như vậy, các đối xứng tại các vùng tiếp xúc giữa các
pha bị phá vỡ, dẫn đến sự thay đổi về quỹ đạo của các điện tử, sự phân bố của các spin
và điện tích, đồng thời ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện và từ của vật liệu (hình
1.13a).
- Cấu trúc nano với các ống CoFe
2
O


cùng chiều hoặc ngược chiều
với vectơ 


và liên hệ: 


= -k.




trong đó: k là hệ số đặc trưng cho vật liệu, σ > 0 nếu ứng suất kéo, σ < 0 nếu ứng suất
nén.
Các vật liệu có hiện tượng áp điện có thể kể đến như tinh thể thạch anh, một số
vật liệu cấu trúc perovskite như Pb(Zr, Ti)O
3
, BaTiO
3
Nhìn chung hiện tượng áp
điện có thể giải thích trên sơ sở dịch chuyển của các ion trái dấu trong tinh thể dưới tác
dụng của ứng suất hoặc điện trường ngoài, dẫn đến sự thay đổi vị trí tương đối giữa
các ion và sinh ra độ phân cực điện hoặc biến dạng tinh thể.
Hiện tượng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến, máy siêu âm, màng
rung, máy phát điện, bộ chuyển đổi, …
1.4.2. Hiện tượng từ giảo (magnetostrictive effect)
Từ giảo hay còn gọi áp từ, là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật liệu bị
thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận). Ngược lại, tính chất từ của
vật liệu có thể biến đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước của vật liệu (từ

0
: lần lượt là chiều dài và thể tích vật liệu
khi không có từ trường. Nếu λ > 0 vật liệu có từ giảo dương, λ < 0 vật liệu có từ giảo
âm.
Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin – quỹ đạo trong vật liệu sắt
từ, ở đây là tương tác tĩnh điện giữa hàm sóng của các điện tử từ tính (thường là 3d, 4f)
với điện trường gây bởi các điện tích xung quanh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài,
sự thay đổi của mômen từ spin điện tử sẽ làm mômen từ quĩ đạo thay đổi sự định
hướng. Điều này dẫn đến sự biến dạng của vật liệu theo từ trường. Nếu tương tác spin
– quỹ đạo đủ lớn thì khi đó mômen spin quay kéo theo mômen quỹ đạo quay. Lúc này,
ta sẽ quan sát được hiện tượng từ giảo.
Vật liệu có tính chất từ giảo khá đa dạng, có thể kể đến các nguyên tố kim loại 3d
(Fe, Ni, Co) với từ giảo bão hoà nhỏ (~ 10
-5
), các hợp kim (FeCo, ) với từ giảo ~ 10
-4

đến các nguyên tố kim loại đất hiếm 4f (Tb, Dy, ) có từ giảo lớn hơn, cỡ 10
-2
– 10
-3
.
Vật liệu từ giảo đã được ứng dụng trong các cảm biến đo sự dịch chuyển, từ
trường nhỏ, một số hệ vi cơ,
1.4.3. Hiệu ứng điện – từ (magnetoelectric effect)
Hiệu ứng điện – từ là hiện tượng vật liệu bị phân cực điện khi đặt trong từ trường
ngoài, hoặc ngược lại, vật liệu bị phân cực từ khi có điện trường ngoài đặt vào. Hiệu
ứng này xuất hiện trên các vật liệu tồn tại cả 2 pha: sắt từ và sắt điện.
Hệ số điện – từ thường được sử dụng để đặc trưng cho sự tương tác giữa các tính
chất từ và điện: