Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ


MÃ SỐ: B2010-TN06-02
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN, TỪ
CỦA VẬT LIỆU BaTiO3 PHA TẠP DƢỚI DẠNG MẪU
KHỐI VÀ KÍCH THƢỚC NANO Cơ quan chủ trì: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Chủ nhiệm đề tài: ThS. NGUYỄN VĂN ĐĂNG
1.1.1. Cấu trúc tinh thể perovskite ABO
3

9
1.1.2. Sự tách mức năng lượng trong trường tinh thể bát diện. Hiệu ứng
Jahn-Teller.

10
1.1.3. Tương tác trao đổi
13
1.2. Tổng quan một số kết quả đã nghiên cứu về vật liệu BaTiO
3
14
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BaTiO
3

14
1.2.2. Một số tính chất điển hình của vật liệu BaTiO
3

16
1.2.2.1. Tính chất điện môi của BaTiO
3

16
1.2.2.2. Tính chất sắt điện của BaTiO
3

18
1.3. Vật liệu multiferroic

2.2.3. Phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán xạ năng lượng (EDS)
30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 2.2.4. Các phương pháp đo tính chất điện của vật liệu
30
2.2.4.1. Phương pháp đo phổ tổng trở phụ thuộc tần số
31
2.2.4.2. Phương pháp đo phổ điện môi phụ thuộc tần số
32
2.2.4.3. Phương pháp đo đường trễ sắt điện
32
2.2.5. Các phương pháp đo tính chất từ của vật liệu
33
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
34
3.1. Kết quả phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lƣợng (EDS)
34
3.2. Nghiên cứu sự chuyển pha cấu trúc từ t-BTO sang h-BTO của vật
liệu BaTi
1-x
Fe
x
O
3
bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X.

35
3.3. Ảnh hƣởng của sự thay thế Fe cho Ti lên cấu trúc và kích thƣớc

)O
3

47
3.5.2. Ảnh hưởng của sự khuyết thiếu ôxy lên tính chất từ của vật liệu
BaTiO
3

49
3.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ion Fe
3+
/Fe
4+
lên tính chất từ của vật liệu
51
3.5.4. Biện luận và xây dựng giản đồ pha từ tính cho hệ vật liệu BaTi
1-
x
Fe
x
O
355
3.6. Một số kết quả thu đƣợc từ nghiên cứu vật liệu nano BaTiO
3

59
3.6.1. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X và ảnh SEM.

Người đại diện: TS. Vũ Đình Lãm
Cá nhân:
1. CN. Nguyễn Văn Khiển, trường ĐH khoa học - ĐHTN
2. CN. Nguyễn Thị Dung, trường ĐH khoa học - ĐHTN
3. CN. Phạm Trường Thọ, trường ĐH khoa học - ĐHTN
4. ThS. Nguyễn Khắc Hùng, trường ĐH khoa học - ĐHTN
5. CN. Cà Văn Tịnh, trường ĐH khoa học - ĐHTN
6. ThS. Chu Thị Anh Xuân, trường ĐH khoa học - ĐHTN
7. TS. Vũ Đình Lãm, Viện Khoa học Vật liệu-Viện KH&CN Việt Nam
Thời gian thực hiện: từ tháng 01/2010 đến 12/2011
2. Mục tiêu:
- Chế tạo và nghiên cứu các đặc trưng tính chất của vật liệu đa pha điện từ dạng
khối và kích thước nano BaTiO
3
pha tạp bằng phương pháp phản ứng pha rắn và
nghiền cơ năng lượng cao.
- Nâng cao năng lực nghiên cứu cho nững người tham gia đề tài, đóng góp cho quá
trình đào tạo sinh viên ngành Vật lý.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 3. Nội dung chính:
3.1. Chế tạo vật liệu đa pha điện từ dạng khối và kích thước nano BaTiO
3
pha tạp
bằng phương pháp phản ứng pha rắn và nghiền cơ năng lượng cao.
3.2. Thực hiện các phép đo: nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét (SEM), điện và từ
để nghiên cứu cấu trúc và tính chất điện từ của vật liệu chế tạo được
3.3. Giải thích kết quả và cơ chế vật lý có liên quan
4. Kết quả chính đạt đƣợc

3
, Tạp chí KH&CN ĐH Thái Nguyên, số 02 (78) (2011), 39-44.
4.1.5. Nguyen Van Dang, Ha M. Nguyen, Nguyen Van Chien, Do Hung Manh,
Tran Dang Thanh, Vu Dinh Lam and Le Van Hong, Abnormal magnetic
property in Fe- doped BaTiO
3
multiferroicss, Proceedings of The 5
th

International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology
(IWAMSN2010) - Hanoi, Vietnam - November 09-12, 2010.
4.2. Sản phẩm đào tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN - Đã hướng dẫn 05 luận văn cử nhân khoa học:
1. Nguyễn Thị Hà, Sinh viên lớp CN Vật lý K4, ĐHKH (2010).
2. Nguyễn Thị Thanh Huyền, Sinh viên lớp CN Vật lý K4, ĐHKH (2010).
3. Nguyễn Thị Thu Huyền, Sinh viên lớp CN Vật lý K4, ĐHKH (2010).
4. Ngô Thị Lan, Sinh viên lớp CN Vật lý K5 trường ĐH Khoa học (2011).
5. Phạm Thị Trang, Sinh viên lớp CN Vật lý K5 trường ĐH Khoa học (2011).
- Đã hướng dẫn 03 đề tài NCKH sinh viên:
1. Ngô Thị Lan, Sinh viên lớp CN Vật lý K5 trường ĐH Khoa học (2010).
2. Tô Phương Nhung , Sinh viên lớp CN Vật lý K6 trường ĐH Khoa học (2011).
3. Hoàng Thị Cúc, Sinh viên lớp CN Vật lý K6 trường ĐH Khoa học (2011).
Các kết quả khác (chỉ trình bày các kết quả mới do nghiên cứu đem lại)
4.2.1. Đã chế tạo và nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu đa pha điện từ BaTiO
3

pha tạp Fe dạng gốm khối và kích thước nano.

Cooperating Institution(s):
Organization: Laboratory of Magnetism and Superconductivity - Institute of
Materials Science – Viet Nam Academic of Science and Technology.
Delegate: Doctor Vu Dinh Lam
Indivildual:
1. Bachelor Nguyen Van Khien- College of Sciences - Thai Nguyen University.
2. Bachelor Nguyen Thi Dung, College of Sciences - Thai Nguyen University.
3. Bachelor Pham Truong Tho, College of Sciences - Thai Nguyen University.
4. Master Nguyen Khac Hung, College of Sciences - Thai Nguyen University.
5. Bachelor Ca Van Tinh, College of Sciences - Thai Nguyen University.
6. Master Chu Thi Anh Xuan, College of Sciences - Thai Nguyen University
7. Doctor Vu Dinh Lam, Institute of Materials Science - Vietnam Academic of
Science and Technology.
Duration: from 01/2010 to 12/2011
2. Objectives:
Synthesis and investigation electromagnetic properties of materials doped-
BaTiO
3
in bulk ceramics and nanoscale by the solid-state reaction method and high
energy ball milling.
Contribute the process of training physics students by building knowledge and
capacity for participators in the subject.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 3. Main contents:
3.1. Synthesis materials multiferrroics doped-BaTiO
3
in bulk ceramics and nanoscale by the
solid-state reaction method and high energy ball milling.

4.1.4. Nguyen Van Dang, Nguyen Khac Hung, Ngo Thi Lan, Vu Dinh Lam and Le
Van Hong, Influence of substitute Fe for Ti on structures electromagnetic
properties of BaTiO
3
, Journal of Science and Technology, Thai Nguyen University,
No 2 (78), 2011, 39-44.

4.1.5. Nguyen Van Dang, Ha M. Nguyen, Nguyen Van Chien, Do Hung Manh,
Tran Dang Thanh, Vu Dinh Lam and Le Van Hong, Abnormal magnetic property in
Fe- doped BaTiO
3
multiferroicss, Proceedings of The 5
th
International Workshop on
Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010) - Hanoi,
Vietnam - November 09-12, 2010.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 4.1. Training results: have been supported 08 studens reaseach project:
4.1.1. Nguyen Thi Ha, Department of Physics, College of Sciences, Thai Nguyen
University, defended in May 2010.
4.1.2. Nguyen Thi Thanh Huyen, Department of Physics, College of Sciences, Thai
Nguyen University, defended in May 2010.
4.1.3. Nguyen Thi Thu Huyen, Department of Physics, College of Sciences, Thai
Nguyen University, defended in May 2010.
4.1.4. Ngo Thi Lan, Department of Physics, College of Sciences, Thai Nguyen
University, defended in May 2011.
4.1.5. Pham Thị Trang, Department of Physics, College of Sciences, Thai Nguyen

đồng tồn tại cả hai trạng thái sắt điện và sắt từ trong cùng một pha vật liệu [32],
[49], [50]. Các vật liệu multiferroics trong tự nhiên rất hiếm, đa số các vật liệu
multiferroics được biết đến hiện nay là vật liệu nhân tạo. Để tạo ra vật liệu
multiferroics, cách thứ nhất là đưa các tạp chất từ tính vào mạng tinh thể của vật
liệu sắt điện (cách làm này giống như cách tạo ra các chất bán dẫn từ pha loãng).
Một cách khác là kết hợp vật liệu sắt điện và vật liệu sắt từ với nhau thành một vật
liệu composite [49], [50]. Sẽ có rất nhiều thiết bị tổ hợp ứng dụng những hiệu ứng
lý thú của vật liệu multiferroics như: nguyên tố nhớ nhiều trạng thái, thiết bị cộng
hưởng sắt từ điều khiển bởi điện trường, bộ chuyển đổi cực nhanh, bộ lọc, sensor
điện từ hoạt động ở nhiệt độ phòng, các ăng-ten, bộ lưu dữ liệu, DRAM, MRAMs,
FeRAMs, linh kiện nhớ điện trở (RRAM), nhớ điện dung (Capacitance Memory
Effect) [27]
Trong nghiên cứu ứng dụng, các vật liệu multiferroics dạng đơn chất được
quan tâm nhưng đa số các vật liệu multiferroics dạng đơn chất được biết đến hiện
nay đều thể hiện tính chất multiferroics ở nhiệt độ quá thấp. Nhiều nghiên cứu gần
đây công bố kết quả tạo ra vật liệu multiferroics ở nhiệt độ phòng bằng cách pha tạp
các ion kim loại chuyển tiếp vào vật liệu BaTiO
3
- một vật liệu sắt điện điển hình.
Ngoài triển vọng ứng dụng do thể hiện tính chất multifferoic ở trên nhiệt độ phòng,
vật liệu BaTi
1-x
Fe
x
O
3
cũng là đối tượng được bàn luận rất sôi nổi trong thời gian
gần đây vì thể hiện nhiều hiệu ứng vật lý mới rất lý thú và phức tạp như: sự lai hóa
giữa tính chất sắt điện và sắt từ, cơ chế của các loại tương tác gây ra từ tính trong
vật liệu, đóng góp của các nút khuyết oxi vào từ tính của vật liệu, hóa trị của các

tại tính chất sắt điện và sắt từ ở nhiệt độ phòng bằng phương pháp phản ứng pha rắn
và nghiền cơ năng lượng cao; (ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tạp chất lên
cấu trúc, tính chất điện từ của vật liệu.
Đối tƣợng nghiên cứu: là hệ vật liệu đa pha điện từ (multiferroicss) BaTi
1-
x
Fe
x
O
3
đồng tồn tại tính chất sắt điện và sắt từ ở nhiệt độ phòng.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương
pháp thực nghiệm. Các kết quả thu được chủ yếu dựa trên quá trình phân tích đánh
giá số liệu thực nghiệm thu nhận được trong quá trình chế tạo vật liệu, khảo sát, đo
đạc các đặc trưng cấu trúc và tính chất
Nội dung nghiên cứu gồm: (i) Chế tạo các mẫu vật liệu dạng khối bằng
phương pháp phản ứng pha rắn và cấu trúc nano bằng phương pháp nghiền cơ năng
lượng cao; (ii) Khảo sát cấu trúc, phân tích pha tinh thể trên cơ sở phân tích số liệu
nhiễu xạ tia X mẫu bột. Phân tích và đánh giá hình thái học, kích thước hạt thông
qua ảnh SEM. (iii) Thực hiện các phép đo khảo sát các đặc trưng điện, từ của vật
liệu nhằm nghiên cứu, đánh giá mức độ tương tác giữa hai pha sắt điện và sắt từ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN Chƣơng 1
TỔNG QUAN1.1. Cấu trúc tinh thể, các hiện tƣợng méo mạng và tƣơng tác trao đổi trong
vật liệu perovskite ABO

dựa vào một tham số gọi là thừa số dung hạn t, xác định bởi công thức:

OB
OA
rr
rr
t
2
(1.1)
Hình 1.1. (a) Cấu trúc perovskite ABO
3

lập phương lý tưởng và (b) Sự sắp xếp của
các bát diện trong cấu trúc
(0,0,0)
(1/2,1/2, 1/2)
(0,1/2, 1/2)
(1/2,0, 1/2)
(1/2, 1/2,0) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN trong đó r
A
, r
B
, r
O

tích âm chỉ là tương tác tĩnh điện. Trường tĩnh điện tạo bởi các ion oxy nằm ở đỉnh
bát diện gọi là trường tinh thể bát diện. Áp dụng các kết quả từ bài toán một điện tử
cho các điện tử lớp 3d (n = 3, l = 2), ta được 5 orbital tương ứng với các số lượng tử
m = 0, ±1, ±2, được ký hiệu là d
xy
, d
yz
, d
zx
,
22
yx
d
và
2
z
d
(hình 1.2), a
0
là bán kính
Bohr. Các hàm sóng của chúng được xác định bằng các biểu thức [8]:
2sinsin
16
15
3081
4
2
3/
2
2/7

ar
zx
erad
(1.3)
2.sin
16
15
3081
4
2
3/
2
2/7
0
0
22
scoerad
ar
yx

1s3
16
15
3081
4
2
3/
2
2/7
0

d
và
22
yx
d
nằm dọc theo các trục tọa độ và hướng trực
tiếp vào các ion oxy, còn các orbital d
xy
, d
yz
, d
zx
nằm trên các đường phân giác của
góc phần tư trên hệ trục toạ độ. Do đó, các điện tử nằm trên các orbital
2
z
d
và
22
yx
d

sẽ chịu một lực đẩy Culông từ các điện tử của ion oxy mạnh hơn so với các orbital
d
xy
, d
yz
, d
zx
nên các orbital này nằm ở mức năng lượng cao hơn so với các orbital

là suy biến bậc 2 và chỉ có một điện tử nên sẽ có 2 cách sắp xếp khả dĩ:
o
yxz
dd
222
1
và
o
zyx
dd
222
1
. Với cách sắp xếp thứ nhất, chuyển động của điện tử sẽ cản tốt
x
y
z
Hình 1.3. Trường bát diện của
các ion ligand
Hình 1.2. Các orbital của điện
tử lớp 3d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN hơn, hay nói cách khác là làm cho lực hút tĩnh điện giữa ion ligan và ion Mn
3+
dọc
theo trục z yếu hơn so với trên mặt phẳng xy. Điều này dẫn đến một hệ quả là các
ion ligan trên mặt phẳng xy sẽ dịch về gần ion Mn
3+
hơn so với các ion ligan dọc

g
(
2
z
d
nếu kiểu I,
22
yx
d
nếu kiểu II)
(a) (b)

Hình 1.5. Mô tả méo mạng Jahn – Teller. a)
Méo mạng kiểu I; b) Méo mạng kiểu II[2]

Kiểu II
Kiểu I
Hình 1.4. Sự tách mức năng lượng của ion 3d
trong trường tinh thể bát diện và tách mức
Jahn-Teller. a- dịch chuyển năng lượng do
tương tác dipole, b- tách mức trong trường
tinh thể bát diện, c- tách mức JT (kiểu II)[2].

a
b
c

2
JT


g
thành
JTe
g
E

và
JTe
g
E
(
g
e
E
là năng lượng trạng thái e
g
trong trường bát diện khi không có méo
mạng,
JT
là năng lượng tách JT). Hơn nữa, biến dạng cấu trúc cũng sẽ ảnh hưởng
tới các quỹ đạo trạng thái t
2g
. Thí dụ, d
xz
và d
yz
sẽ ổn định hơn trong méo mạng kiểu
I, ngược lại d
xy
sẽ ổn định hơn nếu méo mạng là kiểu II. Do đó, t

liệu sắt từ; (a)- Tương tác trao đổi trực tiếp;
(b)- Tương tác trao đổi gián tiếp; (c)- Tương tác
siêu trao đổi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN Hoàn toàn độc lập với cơ chế khác nhau của các kiểu tương tác trao đổi, năng
lượng tương tác trao đổi đều được biểu diễn trong khuôn khổ mô hình Heisenberg:

ij
jiijtt
SSAE 2
(1.4 )
với A
ij
là hệ số tương tác trao đổi giữa hai spin lân cận. Cấu trúc sắt từ sẽ được thiết
lập khi A
ij
> 0. Ngược lại, cấu trúc phản sắt từ được hình thành khi A
ij
< 0.
1.2. Tổng quan một số kết quả đã nghiên cứu về vật liệu BaTiO
3
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu BaTiO
3Phụ thuộc vào nhiệt độ mà vật liệu BTO có thể tồn tại ở các dạng cấu trúc
thuộc các nhóm không gian khác nhau như được mô tả trên hình 1.7. Cụ thể là: trên
1460


cấu trúc mặt thoi (Rhombohedral), trường hợp này véc-tơ phân cực tự phát hướng
dọc theo đường chéo chính của ô mạng [34].
Tại pha tứ giác, ta có thể hình dung là hai đáy
của ô mạng lập phương bị “kéo giãn” làm cho
khoảng cách giữa các ion O
2-
nằm ở tâm 2 đáy tăng
lên, kết quả là ion Ti
4+
bị dịch đi dọc theo trục c và
gây ra sự phân cực tự phát trong ô mạng (Hình 1.8).
Đã có nhiều nghiên cứu về sự dịch chuyển của
các nguyên tử trong ô mạng trong cấu trúc tứ giác.
Vào năm 1955, Shriane [44] đã nghiên cứu toàn
diện về cấu trúc tinh thể của BaTiO
3
và công bố các
giá trị về sự dịch chuyển nguyên tử trong quá trình
chuyển pha từ lập phương sang tứ giác là 0.006nm cho ion Ba
2+
, 0.012 nm cho ion
Ti
4+
và 0.003nm cho ion O
2-
.
Nếu như phần lớn các nghiên cứu đều tập trung vào tính chất sắt điện của
BTO ở nhiệt độ phòng thì chuyển pha lục giác - lập phương ở nhiệt độ cao chỉ thu
hút được sự quan tâm trong thời gian gần đây [23], [31]. Không giống như chuyển

1.9). Những thay đổi như vậy phù hợp với sự tăng lực đẩy Coulomb giữa các ion
Ti(2) lân cận khi các ion oxy bị lấy đi khỏi các mặt chung. Mỗi ô mạng của cấu trúc
lục giác chứa 18 ion oxy [6O(1)+12O(2)], 6 ion Ba [4Ba(2) +8 ×1/4Ba(2)) và 6 ion
Ti (4×1/4Ti(1)+8×1/4Ti(1)+4Ti(x)] (hình 1.10).
1.2.2. Một số tính chất điển hình của vật liệu BaTiO
3

1.2.2.1. Tính chất điện môi của BaTiO
3

Do phụ thuộc mạnh vào
phương pháp chế tạo (độ tinh
khiết, mật độ, kích thước
hạt ), tần số, nhiệt độ và tạp
chất nên giá trị của hằng số
điện môi của vật liệu BTO hiện
được công bố rất phân tán với
nhiều giá trị khác nhau. Hình
1.11 biểu diễn sự phụ thuộc
nhiệt độ của hằng số điện môi
của vật liệu BTO. Một số đặc
trưng điện môi của các mẫu
gốm được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau đo ở nhiệt độ phòng được chỉ
ra trên bảng 1.1.
Benlahrache và cộng sự [10] đã nghiên cứu sự phụ thuộc hằng số điện môi vào
tần số (Hình 1.12) của vật liệu BTO chế tạo bằng phương pháp gốm thông thường.
Kết quả cho thấy, ở nhiệt độ phòng hằng số điện môi giảm trong vùng tần số dưới 1
kHz, ở tần số cao hơn hằng số điện môi gần như không đổi. Khi nhiệt độ tăng cao,
hằng số điện môi của vật liệu giảm.
số điện môi của các mẫu khối BaTiO

Tác giả
Phương pháp
chế tạo
Nhiệt độ
thiêu kết
T
s
(
o
C)
Hằng số
điện môi
tại T
room
Hằng số
điện môi
tại T
Curie

Tần số
Arya [41]
sol-gel
1200/1300
20 phút
500-650/
700-900
*
1MHz
Boulos [27]
Thủy nhiệt

1310/*
665
880
10kHz
Seveyrat [40]
Đồng kết tủa
Oxalate
1350/4h
2200
8000
1,10,
100 kHz

Hằng số điện môi của vật liệu cũng phụ thuộc mạnh vào các tạp chất. Trong
những năm gần đây, việc pha tạp vào vị trí của Ba và Ti để thay đổi tính chất của
Tần số (Hz)
Hàng số điện môi
( )
Hình 1.12: Phần thực của hằng số điện môi
của BTO phụ thuộc tần số và nhiệt độ[10]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN BTO được quan tâm. Nếu thay thế vào vị trí của ion Ba
2+
bằng các nguyên tố tạp
acceptor có hóa trị 1, 2 và 3, vật liệu BTO sẽ trở thành một bán dẫn loại p. Nhưng
khi thay thế vào vị trí của Ti
4+

o
a-c;
(C) vách 180
o
a-a; (D) vách 180
o
a-c
trong tinh thể sắt điện BTO [34]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN cách giữa các đô-men gọi là vách đô-men. Nguyên nhân của việc hình thành cấu
trúc đô-men điện cho đến nay chưa được giải thích một cách hoàn chỉnh. Đứng trên
phương diện hiện tượng luận có thể giải thích việc hình thành các đô-men có mục
đích làm cực tiểu hóa năng lượng tự do.
Khác với đô-men sắt từ các lưỡng cực có chiều không thay đổi một cách từ từ
bởi vì vách đô-men thường có xu hướng giảm bề rộng để giảm năng lượng đàn hồi
sinh ra do sức căng bề mặt vách. Do vậy vách đô-men điện rất mỏng, chỉ cỡ một vài
ô mạng. Trong pha tứ giác của BTO, các đô-men liền kề có thể có vectơ phân cực
phản song song hoặc vuông góc với nhau. Các vách đô-men tương ứng, được gọi là
vách 180
o
và vách 90
o
(Hình 1.14). Dị hướng trong tinh thể sắt điện rất lớn nên
hướng của các lưỡng cực điện thường được định hướng theo trục dễ. Các loại vách
90
o
a-a/90

minh rằng có thể nâng nhiệt độ
T
C
của vật liệu lên gần 500
0
C
và độ phân cực có thể được
tăng gần 250% so với giá trị rất
lớn thu được trên đơn tinh thể
BaTiO
3
(Hình 1.17). Các giá trị
thu được có thể so sánh với các
giá trị tương tự thu được trên vật
liệu Pb(Zr
x
Ti
1-x
)O
3
và mở ra khả
năng thay thế các vật liệu sắt
điện độc hại có chứa Pb trong tương lai gần.
1.3. Vật liệu multiferroics
1.3.1. Vật liệu multiferroics và hiệu ứng từ điện
Multiferroics là thuật ngữ được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng các
loại vật liệu tổ hợp nhiều tính chất trong cùng một pha của vật liệu như tính: sắt
từ, sắt điện, sắt giảo, phản sắt từ, phản sắt điện, ferit từ Khái
niệm multiferroicss lần đầu tiên được Hans Schmid sử dụng năm 1994 trên tạp chí
Ferroelectric [32]. Khi đó, ông đã sử dụng định nghĩa multiferroics để chỉ một vật

và TbMn
2
O
5
[48]

Hình 1.19. (a) Mối quan hệ giữa vật liệu multiferroicss, magnetoelectric
và các yêu cầu để đạt được cả hai thuộc tính trong một vật liệu. (b) Sơ đồ minh
họa các loại tương tác và liên kết từ -điện-cơ trong vật liệu multiferroicss [48].

Việc đồng thời tồn tại và cạnh tranh lẫn nhau của một số các thông số vật lý
trong một vật liệu sẽ mang lại cho ta nhiều hiệu ứng và hiện tượng vật lý rất phức
tạp. Đồng thời chúng cũng hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều chức năng cho các thiết bị
mới. Do vừa có độ từ hoá tự phát có thể tái định hướng bởi từ trường ngoài, lại vừa
có độ phân cực điện tự phát có thể tái định hướng bởi điện trường ngoài. Các vật
liệu này vừa có thể có các hiệu ứng độc lập như các vật liệu đơn pha sắt điện và sắt
từ thông thường vừa có thể thể dùng từ trường để điều khiển các tính chất điện và
ngược lại do có sự lai hóa, cạnh tranh và "kiểm soát" lẫn nhau của các tính chất điện
Hình 1.18. Phác họa tính sắt điện và sắt từ
đồng tồn tại, cạnh tranh và "kiểm soát" lẫn
nhau trong vật liệu multiferroic [48]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN và từ (hình 1.18 và 1.19). Ngoài ra cũng có thể có độ biến dạng tự phát được tái
định hướng bởi trường cơ học hoặc trường điện từ Tính chất đặc biệt của vật liệu
tổ hợp cả tính chất sắt điện và sắt từ đó là khi chịu tác dụng của từ trường ngoài,
pha sắt từ (từ giảo) sẽ bị biến dạng. Sự biến dạng này sẽ tạo ra ứng suất truyền sang
pha sắt điện và do đó sẽ xuất hiện sự thay đổi véc tơ phân cực điện trong lòng pha
sắt điện do hiện tượng áp điện. Khi đó, trong vật liệu sẽ xuất hiện điện tích cảm ứng

i
s
i
EEHHHE
HEHHEEHMPFHEF
(1.7)
ε
0
, ε
ij
(T)
μ
0
, μ
ij
, độ từ thẩm của vật
liệu; α
ij
ính phân cực của vật liệu; β
ijk
và γ
ijk
P
i
H
j
hoặc M
i
Ẹ
j