LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan: đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS. Vũ Ngọc Hùng và TS. Nguyễn Đức Minh, thực hiện tại Viện Đào tạo Quốc tế
về Khoa học Vật liệu – Viện ITIMS, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu và
kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Tác

PGS TS V N

H

N

i

ả luậ án

T

Q

C


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS.
Vũ Ngọc Hùng và TS. Nguyễn Đức Minh, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Các
Thầy thực sự là những nhà khoa học mẫu mực, luôn quan tâm, động viên và khích lệ tôi
khi gặp khó khăn cả trong công việc và trong cuộc sống, cùng học trò chia sẻ cả thất bại

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................ vi
BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ ................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. xi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ........................................................................xii
GI I THIỆU LUẬN ÁN ..................................................................................................... 1
M

.............................................................................................................................. 1

N

ụ ủ

Ý

...................................................................................................... 2
ủ

3.1.

....................................................... 2

ngh a khoa học ............................................................................................................ 2

3.2. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................... 3
B

ụ

1.2.3. Bề dày, lớp tiếp x c và kích thước hạt....................................................................... 28

iii


1.2.4. Chuyển động đô men (Hình thành đô men/ hình thành và dịch chuyển vách đô men)
............................................................................................................................................. 31
1.2.5. Tính chất mỏi ............................................................................................................. 33
1.2.6. Ảnh hưởng của cấu tr c dị lớp đến tính chất của màng mỏng PZT .......................... 34
1.2.7. Ảnh hưởng của tạp chất đến cấu tr c, tính chất của màng mỏng PZT ...................... 35
M

ứ

K

ụ

ư

CHƯƠNG

ủ

PZT..................................................................... 40

.............................................................................................................. 41
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

P ư


ạ

....................................................................................... 54

2.3.1. Phương pháp ăn mòn khô .......................................................................................... 57
2.3.2. Phương pháp ăn mòn ướt ........................................................................................... 57
K

ư

.............................................................................................................. 57

CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG SOL-GEL PZT .... 59
T

ư

í

ấ

ủ

PZT ............................................................... 59

3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ .......................................................................................... 59
3.1.2. Ảnh hưởng của chiều dày màng mỏng PZT .............................................................. 63
N
K

ấ

ủ

iv

PZT,

ớ PFZT/PZT . 79


4.1.1. Ảnh hưởng của tạp Fe3+ đến tính chất của màng mỏng PZT ..................................... 79
4.1.2. Ảnh hưởng của tạp Fe3+ đến tính chất của màng mỏng dị lớp PFZT/PZT ................ 84
Ả

ư

K

ạ Nb5+

ủ

ư

í

ấ

ủ

ạ

r

............................................. 101

5.2.1. Linh kiện cảm biến kiểu thanh rung ........................................................................ 101
5.2.1.1. Kết quả chế tạo linh kiện dạng thanh rung ........................................................... 101
5.2.1.2. Khảo sát tính chất của linh kiện ............................................................................ 105
5.2.2. Linh kiện dạng màng chắn ....................................................................................... 108
5.2.2.1. Kết quả chế tạo linh kiện dạng màng chắn ........................................................... 108
5.2.2.2. Khảo sát tính chất của màng chắn ........................................................................ 109
5
K

Cả

b

ượ
ư

rê

r

............................................. 112

5 ............................................................................................................ 118



A

Diện tích bản tụ

C

Điện dung

D

Khoảng cách giữa hai bản tụ (bề dày của màng)

dijk

Môđun áp điện

Độ cảm điện môi

E, ED

Điện trường ngoài, điện trường khử phân cực

Ej

Thành phần của v ctơ cường độ điện trường

fr

Giá trị ứng với đỉnh của đường cong tần số cộng hưởng


Hệ số liên kết theo chiều dài

Np , Nt

Hằng số tần số ở các mode dao động theo bán kính và theo chiều
dày (Hz.m)

PFZT

Pb([Zr0.52Ti0.48]Fe)O3

Pr, Ps

Độ phân cực dư, bão hòa

Q

Hệ số phẩm chất

Qe

Độ phẩm chất cộng hưởng điện

Qm

Độ phẩm chất cơ

R
RA, RB, RO


Nhiệt độ Curie

TC

Nhiệt độ chuyển pha (°C, K).

Tjk

Thành phần của Tenxơ ứng suất

Tm

Nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại (°C, K)

U

Điện thế

vii


BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ
T

N

ê

A space-charge model


Cantilever length

Chiều dài thanh linh kiện

Chrome mask

Lớp mặt lạ Chrome

Coil

Cuộn lò xo

CSD

Chemical solution deposition (dung dịch hóa học)

CVD

Chemical vapor deposition (phương pháp lắng đọng từ pha hơi)

Dipole

Lưỡng cực sắt điện

Displacement

Độ dịch chuyển

Downward


nhiên sắt điện)
Field Emission Scanning Electron Microscopy (phương pháp

FE-SEM

chụp ảnh hiển vi điện tử qu t phát xạ trường)

Gas pressure

Áp suất khí

viii


Gas pressure

Áp suất khí

Heterolayers

Cấu tr c dị lớp

Hydrochloric acid

A xít HCl

Hydrofluoric acid

A xít HF

Linh kiện dạng màng chắn

MEMS

Micro Electro Mechanial Systems (hệ thống vi cơ điện tử)

MHDA

Phân tử 16-Mercaptohexadecanoic a xít (HS-(CH2)15-COOH)

Microactuator

Vi chấp hành

Microscope

Ảnh hiển vi quang học

Microsensor

Vi cảm biến

MPB

Morphotropic Phase Boundary (biên pha hình thái)

P40

Pb(Zr0.4Ti0.6)O3


Polarization loop

Đường cong điện trễ
Prostate-specific antigen (một chất gây ra bệnh ung thư ở

PSA

người)

Pyrochlore A2B2O7

Pyrochlore phase (pha thiếu chì)

PZT

Loại gốm, màng có công thức Pb(TixZr1-x)O3

ix


Rhombohedral

Cấu tr c trực thoi

Residue

Chất cặn

SAM


SRO

SrRuO3

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

Tetragonal

Cấu tr c tứ giác
X-ray photoelectron spectroscopy (phương pháp phổ nhiễu xạ

XPS

điện tử tia X)

Undercut

Ăn mòn sâu

Upward displacement

Độ dịch chuyển theo chiều lên trên

UV exposure

Chùm sáng UV

Wet-chemical etching


2.1

Các hóa chất sử dụng cho tổng hợp PZT

45

2.2

Thông tin chi tiết về quá trình tạo điện cực cho màng mỏng sắt điện PZT
trong linh kiện thanh rung

56

4.1

Giá trị điện trường khử phân cực

83

4.2

Giá trị phân cực dư của các màng pha tạp cấu tr c dị lớp

86

5.1

Thông số của các lớp có trong cấu tr c thanh rung áp điện.



Cấu tr c ABO3. Ô đơn vị của pha lập phương (a), pha tứ giác (b), pha trực
thoi (c) và pha mặt thoi (d) .

7

1.4

Sơ đồ cấu tr c Perovskite : a) T < Tn cấu tr c phản sắt điện; b) T < Tc hai
đô men sắt điện phân cực ngược nhau

7

1.5

Đường cong phản sắt điện. |Eext |> Ec biến đổi thành chất sắt điện

8

1.6

Bản tinh thể hoả điện với v c tơ phân cực P và các bản cực A, sự thay đổi
nhiệt độ sẽ dẫn tới dòng điện I thay đổi

9

1.7

Sơ đồ nguyên lý của hiệu ứng áp điện thuận và áp điện nghịch
10

1.12

(a) Độ dịch của các ion trong cấu tr c perovskite bốn phương và (b) mô
hình thế năng trong pha sắt điện

17

1.13

Mô hình cấu tr c đô men điện và góc giữa các đô men a)1800, b) 900

17

1.14

Cấu tr c đô men của PZT cấu tr c tứ giác với định hướng khác nhau

19

1.15

a) Đặc trưng điện dung (C-V) và b) Đường cong điện trễ của vật liệu sắt
điện

20

1.16

Giản đồ pha hệ Pb(ZrxTi1-xO3), 0 ≤ x ≤ 1



(a) Hệ số áp điện hiệu dụng d33 của PZT pha tứ giác có thành phần 48/52;
(b) Mặt cắt ngang khi hình (a) bị cắt bởi mặt (010); (c) Hệ số áp điện hiệu
dụng d33 của PZT pha hình thoi có thành phần 52/48; (d) Hệ số mặt cắt
ngang khi hình (c) khi bị cắt bởi mặt Y-Z. Giá trị cực đại của d33 là nằm
trên mặt phẳng Y-Z và góc tạo với trục Z một góc 59,4o

27

1.21

Sự thay đổi của hệ số áp điện (d33) theo điện thế với các bề dày màng khác
nhau

29

1.22

Pha tạp loại axepto (Fe3+) và đôno (Nb5+) trong vật liệu perovskite PZT a)
ion hóa trị 3 thay thế vị trí A và b) ion hóa trị 5 (Nb) thay thế cho vị trí B

36

1.23

Pha tạp axepto trong vật liệu perovskite PZT

38

1.24


2.4

Sơ đồ hình học tụ tiêu để thu các cực đại nhiễu xạ tia X trong trường hợp
mẫu màng mỏng,  = 0  50.

48

2.5

Sơ đồ cầu Sawyer-Tower

49

2.6

Thiết bị đo tính chất sắt điện trên máy aixACCT TF2000

50

2.7

Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện

50

2.8

Sơ đồ mạch tương đương


Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ăn mòn khô bằng chùm khí ion
Argongon (Ar).

57

xiii


3.1

Cấu tr c màng đa lớp [PZT]6 gồm 6 lớp với chiều dày 360 nm phủ trên đế
Pt/Ti/SiO2/Si.

60

3.2

Ảnh hiển vi điện tử qu t (SEM) theo mặt cắt ngang của màng sol-gel PZT
cấu tr c đa lớp.

60

3.3

Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của các màng mỏng sol-gel PZT được ủ kết tinh
tại các nhiệt độ khác nhau. Chiều dày của các màng là 360 nm

61

3.4

với chiều dày khác nhau: (a) 240, (b) 360, (c) 480 và (d) 600 nm.

64

3.9

Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của màng cấu tr c đa lớp PZT với chiều dày
khác nhau.

65

3.10

Đặc trưng sắt điện của màng mỏng đa lớp PZT với chiều dày khác nhau

66

3.11

(a) Đường cong điện môi – điện áp và (b) hằng số điện môi, của màng
mỏng đa lớp PZT với chiều dày khác nhau.

66

3.12

(a) Giản đồ pha và (b) Cấu tr c tinh thể dạng tứ giác và trực thoi của vật
liệu sắt điện PZT

67

3.17

Phổ XPS màng mỏng PZT với (a,b) cấu tr c đa lớp ([P60]4 và [P40]4) và
(c) dị lớp ([P60/P40]2).

71

3.18

(a) Phổ XRD của màng cấu tr c đa lớp [P60]6, [P40]6 và dị lớp [P60/P40]3.
(b) Phóng đại tại vị trí peak (200).

72

xiv


3.19

Đặc trưng sắt điện – điện áp (P-E) của màng PZT với cấu tr c đa lớp và dị
lớp.

72

3.20

Ảnh hưởng của cấu tr c đa lớp và dị lớp đến (a) mômen sắt điện dư Pr và
(b) hệ số áp điện d33 của màng mỏng PZT

73


Phổ XRD của màng mỏng PZT và màng mỏng pha tạp 1% Fe3+ (PFZT)

81

4.3

Ảnh SEM cắt ngang của (a) màng PZT không pha tạp và (b) màng pha tạp
PFZT

81

4.4

(a) Đường cong trễ phân cực của màng PFZT với nồng độ tạp chất Fe3+ từ
0-5%; (b) Sự phụ thuộc của giá trị Pr như là hàm của nồng độ tạp chất sắt.

82

4.5

Đường cong đặc trưng ɛ -E với sự thay đổi hằng số điện môi theo nồng độ
sắt.

83

4.6

Sơ đồ cấu tr c dị lớp kết hợp của màng [PZT]3/[PFZT]3, và màng
[PFZT]3/[PZT]3.

86

4.11

Ảnh hiển vi điện tử qu t (SEM) theo mặt cắt ngang của (a) màng PZT
không pha tạp, (b) màng pha tạp PNZT.

87

4.12

Đường cong điện trễ (P-E) của màng PZT và PNZT.

87

4.13

Sự phụ thuộc của mômen sắt điện dư (Pr) và điện áp khử phân cực (Ec) vào
số chu kỳ làm việc của màng mỏng PZT và PNZT trên đế
(111)Pt/Ti/SiO2/Si.

89

xv


4.14

Mô hình của sự tích tụ của các sai hỏng trong quá trình làm việc tại lớp tiếp
x c giữa màng PZT và điện cực Pt.


5.3

Ảnh hưởng của áp suất khí đến tốc độ ăn mòn của lớp điện cực trên Pt với
chiều dày 100 nm. Trong thực nghiệm này tốc độ dòng khí là 5 sccm và
năng lượng tạo ra chùm plasma ion Ar (năng lượng được tạo ra từ cuộn lò
xo giữa dương cực và âm cực) là 300 W.

95

5.4

Ảnh hưởng năng lượng tạo ra chùm plasma đến tốc độ ăn mòn của lớp điện
cực trên Pt với chiều dày 100 nm và độ mấp mô bề mặt của màng PZT.
Trong thực nghiệm này tốc độ dòng khí là 5 sccm và áp suất khí là 610-3

96

mbar.
(a) Ảnh hiển vi lực nguyên tử của bề mặt màng mỏng PZT 55 µm2 (không
5.5

có điện cực trên) và (b) màng PZT sau khi ăn mòn điện cực trên bằng
phương pháp ăn mòn khô. Trong phần này tốc độ dòng khí là 5 sccm, áp

96

suất khí là 610-3 mbar và năng lượng tạo chùm plasma là 300 W.

5.6

cực trên được ăn mòn khô, sau đó một mặt nạ khác với phạm vi bảo vệ lớn

99

xvi


hơn kích thước điện cực trên được sử dụng khi ăn mòn ướt màng PZT và
(b) lớp điện cực trên được ăn mòn khô và màng PZT được ăn mòn ướt với
cùng một loại mặt nạ bảo vệ.
5.10

Ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn sâu vào cấu tr c đến tính chất sắt điện
của linh kiện.

100

5.11

Ảnh hưởng của quy trình ăn mòn ướt đến việc ăn mòn sâu vào cấu tr c. (a).
Ăn mòn sâu 6,5 µm; (b). Ăn mòn sâu 3,4 µm.

100

5.12

Quy trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu (DRIE) trong việc ăn mòn silic để chế
tạo linh kiện thanh rung áp điện

102


a) Ảnh hiển vi quang học và (b) độ dịch chuyển của thanh rung áp điện với
màng mỏng PZT được chế tạo bằng phương pháp quay phủ sol-gel

105

5.18

Ảnh hưởng của chiều dài đến hệ số áp điện ngang (d31,f) của thanh rung áp
điện trên cơ sở màng mỏng PZT chế tạo bằng phương pháp quay phủ solgel. Chiều rộng của các thanh rung là 100 µm.

107

5.19

Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất Q vào chiều dài của thanh rung áp điện
trên cơ sở màng mỏng PZT chế tạo bằng phương pháp phương pháp quay
phủ sol-gel. Chiều rộng của các thanh rung là 100 µm.

107

5.20

Cấu tr c và mặt cắt ngang của linh kiện dạng màng chắn.

108

5.21

(a) Ảnh kính hiển vi bề mặt của linh kiện dạng màng chắn với kích thước

5.25

Ảnh hưởng của điện thế đến độ dịch chuyển của linh kiện màng chắn với
đường kính DM = 500 µm. Ph p đo được thực hiện tại tần số f1 = 474,5
kHz.

111

5.26

(a) Cấu tr c thiết kế, (b) độ dịch chuyển theo chiều lên trên và (c) theo
chiều xuống dưới, của các màng chắn với đường kính 200 – 500 µm.

111

(a) Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng (fr) tại mode dao động đầu tiên vào
bán kính (rD) của màng chắn và (b) Độ dịch chuyển tại tâm (C) của màng
5.27

chắn với đường kính màng chắn (D) khác nhau. Độ dịch chuyển được khảo
sát với ph p đo LDV tại điện áp 1 V và tần số cộng hưởng tương ứng với
từng loại màng chắn (Hình 5.27a)

112

5.28

Phổ tần số cộng hưởng và hình dáng các mốt dao động theo qua trình mô
phỏng (COMSOL) và thực nghiệm (với ph p đo bị laser Doppler
vibrometer tại điện áp 1 V)

MHDA lên trên lớp Au của linh kiện cảm biến và mô hình cấu tr c của hợp
chất PSA – một chất gây ra bệnh ung thư ở người.

117

5.33

Sơ đồ thiết bị dùng để gắn các chất sinh học lên trên lớp Au của linh kiện
cảm biến.

117

5.34

Sự dịch chuyển của tần số dao động cộng hưởng của thanh rung áp điện với
chiều dài 500 µm trong dung dịch chứa MHDA với nồng độ khác nhau.

118

xviii


GI I THIỆU LUẬN ÁN
M
Các vật liệu áp điện với khả năng chuyển đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại đã
và đang được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện cảm biến, các thiết bị truyền động và các
thiết bị vi cơ điện tử khác như đầu dò siêu âm và máy gia tốc [1]. Trong số các vật liệu áp
điện phổ biến hiện nay như AlN, ZnO và các vật liệu với cấu trúc tinh thể dạng perovskite
Ba(Sr,Ti)O3 hay (K,Na)NbO3, thì vật liệu áp điện Pb(ZrxTi1-x)O3 (0 < x < 1, PZT) được lựa
chọn nhiều nhất do có các tính chất sắt điện và áp điện nổi trội hơn so với các vật liệu áp

phương pháp quay phủ sol-gel. Quy trình công nghệ chế tạo màng PZT đã được tối ưu hóa,
trên cơ sở kế thừa và phát triển các kết quả của các nghiên cứu trước, nhằm thu được các
màng có chất lượng với độ ổn định cao. Màng sau khi chế tạo có mật độ kết khối cao và
không bị nứt gẫy. Việc cải thiện các tính chất sắt điện và áp điện của màng được nghiên
cứu thông qua việc chế tạo màng với cấu trúc dị lớp (các lớp màng PZT có thành phần
khác nhau được quay phủ xen kẽ vào nhau). Nguyên nhân là do ảnh hưởng của lớp tiếp
xúc sắt điện – sắt điện (với thành phần khác nhau), ứng suất kéo trong cấu trúc giảm đi và
cùng với sự hình thành một thế điện áp nội tại lớp tiếp x c đã làm tăng khả năng quay của
các domain sắt điện. Màng PZT sau đó được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện cảm
biến khối lượng trên cơ sở các thanh rung áp điện. Thanh rung áp điện, với kích thước
micro-m t được chế tạo bằng phương pháp quang khắc, bao gồm hai phần: phần dao động
(điện cực/màng PZT/điện cực) được gắn kết lên trên thanh rung silic (dày 10 micro-mét,
rộng 100 micro-mét và dài 100-800 micro-m t). Độ phát hiện tới hạn của các linh kiện cảm
biến đã đươc khảo sát thông qua việc gắn kết chất chỉ thị sinh học MHDA (16Mercaptohexadecanoic acid, HS-(CH2)15-COOH), là chất dùng để phát hiện phân tử gây ra
bệnh ung thư ở người. Độ phát hiện tới hạn của thanh rung, khảo sát trong dung dịch chứa
MHDA, là 20 ng/mL hay 70 pmol/mL.
N

ụ ủ

Nhiệm vụ của luận án gồm 3 nhiệm vụ chính như sau:
o Ổn định quy trình chế tạo màng áp điện PZT với chất lượng cao bằng phương pháp
quay phủ sol-gel.
o Tích hợp màng PZT vào thanh rung silic nhằm chế tạo các linh kiện cảm biến với
kích thước micro-mét.
o Định hướng ứng dụng của linh kiện cảm biến trong việc phát hiện các hợp chất cần
phân tích trong l nh vực y - sinh học.
Luận án được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu
dựa trên các kết quả thực nghiệm đã công bố và các mô hình lý thuyết. Các mẫu sử dụng
trong luận án được chế tạo bằng phương pháp quay phủ sol-gel tại Phòng thí nghiệm Vi

ụ

ủ

Luận án được trình bày trong 5 chương, 121 trang bao gồm 111 hình vẽ và đồ thị, 8
bảng số liệu. Cụ thể cấu trúc của luận án như sau:
M

: Mục đích và lý do chọn vật liệu sắt điện-áp điện Pb(ZrxTi1-x)O3 dạng màng và

cấu tr c linh kiện cảm biến khối lượng dạng thanh rung với kích thước micro-mét.
C ư

: Cơ sở lý thuyết.

C ư

: Công nghệ chế tạo và các phương pháp nghiên cứu.

C ư

: Nghiên cứu tính chất của màng mỏng sol-gel PZT

C ư

: Nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Fe3+ và Nb5+ đến tính chất của màng PZT.

C ư
P


sinh...[102, 219]. Các sản phẩm của công nghệ MEMS được chế tạo và đưa vào ứng dụng
từ những thập k 70, 80. Ngày nay các sản phẩm của công nghệ MEMS đã trở nên phổ
biến, đa dạng và đem lại lợi nhuận cao [158, 76, 117].
Với sự phát triển như vũ bão trong mọi l nh vực công nghệ nói chung và công nghệ
MEMS nói riêng các nhà khoa học đã đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng vật liệu áp điện
trong đó có vật liệu Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) để chế tạo linh kiện MEMS [51, 105, 74, 162,
77]. Màng mỏng sắt điện – áp điện PZT là vật liệu có khả năng ứng dụng cao trong thực
tiễn bởi hệ số phân cực sắt điện dư lớn, hằng số điện môi cao và hệ số áp điện lớn [1].
L
T h

t

t

i

g

Khả năng tinh thể có phân cực tự phát liên quan đến tính đối xứng của ch ng. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy các hệ tinh thể có thể được mô tả bởi 32 nhóm đối xứng điểm.
Trong số đó có 11 nhóm có tâm đối xứng và 21 không tâm đối xứng. Trong những tinh thể
có cấu tr c tâm đối xứng, đặc tính phân cực không tồn tại vì bất cứ v c tơ phân cực đều có
thể đảo ngược lại bởi ph p biến đổi đối xứng nhất định. Trong 21 nhóm không có tâm đối
xứng, tất cả ngoại trừ nhóm điểm 432 có tính chất áp điện. Trong số 21 nhóm đối xứng
không có tâm đối xứng, 10 nhóm có cấu tr c đơn trục phân cực. Các hệ tinh thể với cấu
tr c như vậy sẽ có tính chất phân cực tự phát. Phân loại các lớp tinh thể nhóm điểm được
mô tả trên hình 1.1.
Theo phương trình Maxwell, độ phân cực tự phát liên hệ với mật độ điện tích bề mặt
theo công thức sau:


h

i

i

Sắt điện là hiện tượng xảy ra ở một số chất điện môi có độ phân cực điện tự phát ngay
cả khi không có điện trường ngoài. Mô men lưỡng cực điện trong vật liệu sắt điện tương
tác mạnh với nhau, nên tạo ra sự khác biệt so với các chất điện môi khác. Độ phân cực điện
tồn tại ngay cả khi không có điện trường ngoài, nhưng trên toàn vật liệu mô men lưỡng cực
điện tổng cộng có giá trị bằng 0, do các mô men lưỡng cực điện định hướng hỗn loạn. Ở
nhiệt độ 0K các mô men lưỡng cực điện song song với nhau, tạo nên độ phân cực tự phát.
Người ta có thể hiểu về vật liệu sắt điện tương tự như vật liệu sắt từ. Như vậy sẽ không có
sự tồn tại của phân cực tức thời duy nhất, mà khả năng định hướng bởi điện trường ngoài
sẽ quyết định tới vật liệu sắt điện [11, 12].
Hình 1.2 thể hiện đường cong điện trễ đặc trưng xuất hiện trong quá trình đảo ngược
phân cực trong vật liệu sắt điện. Hình 1.2a với tinh thể đơn đô men được xác định theo
hướng phân cực. Độ phân cực sắt điện dư P r và phân cực sắt điện tự phát Ps được xác định.
Biên độ điện trường E > Ec cần thiết để đảo v c tơ phân cực. Trường hợp mẫu đa tinh thể
được thể hiện trên hình 1.2b. Đường A-B dùng phương pháp ngoại suy, đường B-C hướng
về điện trường E = 0 cho độ phân cực sắt điện bão hòa Ps. Đường cong điện trễ cắt trục
tung tại E = 0 cho biết độ phân cực sắt điện dư.

5


H h

g

cực điện vào điện trường ngoài được thể hiện bằng đường cong điện trễ (hình 1.2).
Độ phân cực điện ban đầu khi chưa có tác dụng của điện trường ngoài bằng 0. Khi tác
dụng vào một điện trường ngoài với cường độ tăng dần, độ phân cực điện của khối vật liệu
tăng dần (đoạn AB) lên một giá trị cực đại, gọi là độ phân cực điện bão hoà Ps (đoạn BC),
l c này dù cường độ điện trường tăng thì độ phân cực điện cũng không tăng thêm nữa. Nếu
giảm dần cường độ điện trường thì độ phân cực điện của khối sắt điện cũng giảm theo
nhưng không trùng với đường cong ban 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 sắt
điện Pr. Để triệt tiêu hoàn toàn độ phân cực sắt điện này hay độ phân cực dư, 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 Ec (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 -Ps. Giảm dần
cường độ điện trường và tăng theo hướng ngược lại, ta sẽ thu được đường cong kh p kín
gọi là đường cong điện trễ. Tính chất phi tuyến phản ánh cơ chế phân cực đô men chiếm

6


ưu thế và đóng vai trò quan trọng đối với các vật liệu sắt điện. Ở vùng điện trường cao
quan hệ P-E là quan hệ tuyến tính. Dưới tác dụng của điện trường mạnh, các đô men đã
hoàn toàn định hướng theo điện trường ngoài, cơ chế phân cực đô men không còn vai trò
nữa mà nhường chỗ cho cơ chế phân cực điện môi tuyến tính thông thường. Độ phân cực
dư Pr tồn tại khi không có điện trường ngoài, độ phân cực không biến mất mà duy trì ở một
giá trị xác định phụ thuộc vào phẩm chất của vật liệu. Trường khử phân cực Ec là giới hạn
mà điện trường ngoài làm đảo hướng phân cực đô men.
Sự chuyển pha từ không sắt điện-sắt điện (P-F) và sắt điện-sắt điện có thể diễn tả như
sự m o ô đơn vị. Tất cả các cations và anions có thể dịch chuyển tương ứng tại vị trí cân
bằng trong ô đơn vị lập phương.

Hình 1.3. Cấu trúc ABO3 Ô

H h
i

S
h

ấ
g

Perovskite : a) T < Tn ấ
h

202, 55]

7

h

i ; ) T < Tc hai ô e