BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ QUỲNH CHI

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA MÀNG PZT NHẰM
CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ QUỲNH CHI

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA MÀNG PZT NHẰM
CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
TRONG Y SINH

Chuyên ngành:
Mãsố:

Vật liệu điện tử
62440123

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU


học trò chia sẻ cả thất bại lẫn thành công. Được nghiên cứu và khám phá khoa học, được
là học trò của các Thầy, tôi đã học tập ở các Thầy tinh thần tận tụy với học trò và nghiêm
túc trong nghiên cứu khoa học.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và Phát triển
Nông thôn, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội, Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật
liệu (ITIMS), Trường Đại học Lâm nghiệp là những nơi nuôi dưỡng tri thức cũng như đã
tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất, tinh thần để tôi thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn PGS. TS. Trịnh Quang Thông, TS. Chu Mạnh Hoàng, TS. Vũ Thu Hiền,
Th. S. Nguyễn Thanh Hương, ThS. Phạm Ngọc Thảo, Cử nhân Nguyễn Tài... cám ơn các bạn
trong nhóm MEMS của Viện ITIMS đã thường xuyên quan tâm và động viên cũng như đã có
nhiều bàn luận khoa học và ý kiến đóng góp quý giá cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ Bộ môn Vật lý, Khoa Cơ điện và
công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian qua.
Tôi cũng xin được cảm ơn bạn bè và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi để tôi có
điều kiện thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi tới những người thân trong gia đình lòng biết ơn vô tận. Sự
động viên, hỗ trợ và hy sinh thầm lặng của chồng, con, anh em thực sự là nguồn động lực
vô cùng mạnh mẽ giúp tôi kiên trì vượt qua mọi trở ngại để đi đến thành công.
Hi vọng rằng hai con Bảo Ngân - Nguyệt Anh sẽ nỗ lực học tập hơn nữa để vươn tới
thành công trên con đường học vấn.
Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm 20.......
Tác giả

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i

1.2.2. Sự phụ thuộc vào định hướng của màng.................................................................... 25
1.2.3. Bề dày, lớp tiếp xúc và kích thước hạt....................................................................... 28

iii


1.2.4. Động học 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 trúc dị lớp đến tính chất của màng PZT .................................... 34
1.2.7. Ảnh hưởng của tạp chất đến cấu trúc, tính chất của màng PZT ................................ 35
1.3. Một số ứng dụng của màng PZT ............................................................................... 40
Kết luận chương 1 .............................................................................................................. 41
CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43
2.1. Phương pháp chế tạo màng sắt điện PZT ................................................................. 43
2.1.1. Tổng quan về phương pháp chế tạo sol-gel ............................................................... 43
2.1.2. Chế tạo màng PZT bằng phương pháp quay phủ sol-gel ........................................... 45
2.1.2.1. Vật liệu tạo sol ........................................................................................................ 45
2.1.2.2. Quy trình công nghệ sol-gel chế tạo màng PZT ..................................................... 45
2.1.2.3. Quay phủ tạo màng ................................................................................................. 46
2.2. Phương pháp khảo sát các tính chất của màng........................................................ 47
2.2.1. Phương pháp xác định cấu trúc của màng ................................................................. 47
2.2.1.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................................................. 47
2.2.1.2. Các phương pháp xác định hình thái cấu trúc bề mặt ............................................. 48
2.2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất sắt điện - áp điện .............................................. 49
2.2.2.1. Phương pháp khảo sát tính chất sắt điện ................................................................. 49
2.2.2.2. Phương pháp khảo sát tính chất điện môi ............................................................... 51
2.2.2.3. Phương pháp khảo sát tính chất áp điện ................................................................. 52
2.3. Công nghệ chế tạo linh kiện ....................................................................................... 54
2.3.1. Phương pháp ăn mòn khô .......................................................................................... 57
2.3.2. Phương pháp ăn mòn ướt ........................................................................................... 57

5.3. Ứng dụng linh kiện cảm biến khối lượng trong việc phát hiện phân tử sinh học
MHDA ............................................................................................................................... 112
Kết luận chương 5 ............................................................................................................ 118
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 122

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

, 0

Nguyên nghĩa
Hằng số điện môi trong môi trường và trong chân không




Điện trở suất của màng

A

Diện tích bản tụ

C

Điện dung


Độ nhạy của thanh rung

Pr, Ps

Độ phân cực dư, bão hòa

Độ dịch chuyển tại vị trí đầu (tip) của thanh rung

Q

Hệ số phẩm chất

Qe

Hệ số phẩm chất cộng hưởng điện

Qm

Hệ số phẩm chất cơ

RS

Điện trở dây nối

r

Bán kính của màng chắn

Sjk


vi


BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ
Thuật ngữ

Nguyên nghĩa

AF (Antiferroelectric phase)

Pha không sắt điện

AFM (Atomic Force Microscopy)

Hiển vi lực nguyên tử

CVD (Chemical vapor deposition)

Phương pháp lắng đọng từ pha hơi

DRIE (Deep reactive-ion etching)

Thiết bị quang khắc

DTA (Differential Thermal Analysis)

Phân tích nhiệt vi sai

FRAM (Ferroelectric
Memory)


Pb(Zr0.6Ti0.4)O3

PFZT

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

PNZT

Pb(Zr0.52Ti0.48)1-xNbxO3

PSA (Prostate-specific antigen)

Một chất gây ra bệnh ung thư ở người

PZT

Pb(TixZr1-x)O3

SAM (Self-assembled monolayers)

Phần tự lắp ráp đơn lớp

SEM (Scaning Electro Microscopy)

Hiển vi điện tử quét

SOI (Silicon on Insulators)

Phiến Silic dạng SOI


40

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 sắt điện PZT trong linh kiện
56
thanh rung

4.1

Giá trị điện trường khử phân cực

83

4.2

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

86

4.3

Giá trị điện trường khử phân cực của màng PZT và PNZT


Cấu trúc ABO3. Ô đơn vị của pha lập phương (a), Pha tứ giác (b), Pha trực thoi (c)
7
và pha mặt thoi (d)

1.4

Sơ đồ cấu trúc Perovskite : (a) T < Tn cấu trúc phản sắt điện; (b) T < Tc hai đô men
7
sắt điện phân cực ngược nhau

1.5

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

1.6

Bản tinh thể hoả điện với véc tơ phân cực P và các bản cực A, sự thay đổi nhiệt độ
9
sẽ dẫn tới dòng điện I thay đổi

1.7

Sơ đồ nguyên lý của hiệu ứng áp điện thuận và áp điện nghịch
10
(a) Thành phần lực tác dụng song song vào tinh thể áp điện; (b) Thành phần lực tác dụng vuông góc vào tin

1.8

Năng lượng tự do là hàm của độ phân cực đối với hệ sắt điện trong chuyển pha loại


1.14

Cấu trúc đô men của PZT cấu trúc 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

23

5

8

16

Giá trị của (a) điện trường khử Ec, phân cực dư Pr, đỉnh max, và điện môi dư r và
1.17

1.18


3+

29

5+

1.22

Pha tạp loại axepto (Fe ) và đôno (Nb ) trong vật liệu perovskite PZT a) ion hóa
36
trị 3+ thay thế vị trí A và b) ion hóa trị 5+ (Nb) thay thế cho vị trí B

1.23

Pha tạp axepto trong vật liệu perovskite PZT

38

3+

1.24

Lưỡng cực được hình thành bởi ion tạp Fe (a) cấu trúc tứ giác; (b) cấu trúc mặt
39
thoi

1.25

Hướng của lưỡng cực trong pha không sắt điện lập phương và pha sắt điện tứ giác
40


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

51

2.9

Sơ đồ nguyên lý làm việc của phép đo LDV

53

2.10

Sơ đồ đo hệ số d33



3.3

Phổ nhiễu xạ tia X của các màng sol-gel PZT được ủ kết tinh tại các nhiệt độ khác
61
nhau. Chiều dày của các màng là 360 nm

3.4

Hình thái bề mặt của màng sol-gel PZT được ủ kết tinh tại các nhiệt độ khác nhau.
61
Chiều dày của các màng là 360 nm

3.5

(a) Đường cong sắt điện và (b) Mômen sắt điện dư, của màng sol-gel PZT phụ
62
thuộc nhiệt độ ủ kết tinh

3.6

(a) Đường cong điện môi – điện áp và (b) Hằng số điện môi, của màng PZT phụ
63
thuộc nhiệt độ ủ kết tinh

3.7

Cấu trúc của màng đa lớp PZT với số lớp ‘số lần quay phủ’/chiều dày khác nhau



67

3.13

Sự phụ thuộc giữa hệ số áp điện (a) và hằng số điện môi (b) vào thành phần pha và
68
định hướng pha của tinh thể vật liệu sắt điện – áp điện PZT

3.14

Định hướng của đô men sắt điện dưới tác dụng của điện áp ngoài của vật liệu PZT:
(a) theo hướng [111] của tinh thể dạng trực thoi và (b) theo hướng [001] tinh thể 69
dạng tứ giác

3.15

Cấu hình thiết kế màng PZT: (a,b) Cấu trúc đa lớp (P60, P40) và (c) Cấu trúc dị
70
lớp xen kẽ (P60/P40)

3.16

Ảnh hiển vi điện tử quét theo mặt cắt ngang của màng PZT với (a) Cấu trúc đa lớp
và (b) Dị lớp

70

3.17



3.22

(a) Đường cong điện môi – điện áp và (b) Hằng số điện môi của màng PZT với
75
cấu trúc đa lớp và màng dị lớp kết hợp

3.23

Sự phụ thuộc điện dung vào chiều dày màng PZT với cấu trúc đa lớp (a,b) và
76
màng dị lớp đan xen (c)

4.1

Lưỡng cực sắt điện được hình thành bởi việc pha tạp ion Fe3+ trong cấu trúc tứ giác
80
và cấu trúc mặt thoi

4.2

Phổ nhiễu xạ tia X của màng PZT và màng pha tạp 1% Fe3+ (PFZT)

4.3

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

81
81


PFZT/PZT

4.9

(a) Đường cong điện trễ phân cực sắt điện – điện áp (P-E) và (b) hằng số điện môi
– điện áp, của màng đa lớp PZT, PFZT và dị lớp PFZT/PZT

85

4.10

Phổ nhiễu xạ tia X của màng PZT và PNZT trên đế Pt/Ti/SiO2/Si

4.11

Ảnh hiển vi điện tử quét theo mặt cắt ngang của (a) màng PZT không pha tạp, (b)
87
màng pha tạp PNZT

4.12

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

4.13

Sự phụ thuộc của mômen sắt điện dư (Pr) và điện áp khử phân cực (Ec) vào số chu
89
kỳ làm việc của màng PZT và PNZT trên đế (111)Pt/Ti/SiO2/Si

4.14


Ảnh hưởng của áp suất khí đến tốc độ ăn mòn của lớp điện cực trên Pt với chiều
5.3

dày 100 nm. Trong thực nghiệm này tốc độ dòng khí là 5 sccm và năng lượng tạo
95
ra chùm plasma ion Ar (năng lượng được tạo ra từ cuộn lò xo giữa dương cực và
âm cực) là 300 W

xii


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 96
nghiệm này tốc độ dòng khí là 5 sccm và áp suất khí là 610-3 mbar
(a) Ảnh hiển vi lực nguyên tử của bề mặt màng PZT 55 µm2 (không có điện cực

5.5

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 suất khí là 610-3 mbar và năng

96

lượng tạo chùm plasma là 300 W
5.6

Ảnh hưởng của năng lượng tạo ra chùm plasma đến tốc độ ăn mòn của lớp điện

Ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn sâu vào cấu trúc đến tính chất sắt điện của linh
100
kiện

5.11

Ảnh hưởng của quy trình ăn mòn ướt đến việc ăn mòn sâu vào cấu trúc. (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 trong việc ăn mòn silic để chế tạo linh kiện
102
thanh rung áp điện

5.13

Mô hình thiết kế của thanh rung áp điện với chiều dài 100 – 800 µm và chiều rộng
103
50 – 150 µm

5.14

(a) Ảnh hiển vi điện tử quét của linh kiện thanh rung và (b) Đường cong điện trễ
104
theo các bước của quá trình chế tạo

5.15

rộng của các thanh rung là 100 µm

5.20

Cấu trúc và mặt cắt ngang của linh kiện dạng màng chắn

5.21

(a) Ảnh kính hiển vi bề mặt của linh kiện dạng màng chắn với kích thước đường
kính: DTE = 300 µm, DPZT = 400 µm và DM = 500 µm. (b) Ảnh kính hiển vi điện tử 109
quét mặt sau của màng chắn

5.22

Phổ tần số cộng hưởng tại mode dao động thứ nhất của màng chắn với đường kính
109
DM = 500 µm. Tần số dao động cộng hưởng của màng chắn là 474,5 kHz

5.23

Độ dịch chuyển (theo chiều hướng lên trên) của màng chắn với đường kính DM =
110
500 µm

5.24

Độ dịch chuyển theo chiều lên trên và theo chiều xuống dưới dọc theo đường kính
110
của màng chắn với đường kính DM = 500 µm



(a) Kết quả thực nghiệm tần số dao động cộng hưởng tỉ lệ nghịch với bình phương
chiều dài thanh rung (rộng 100 µm), thu được từ phép đo phổ dao động cộng
hưởng trên hình (b). (b) Phổ dao động cộng hưởng của thanh rung với chiều dài 114
500 µm, rộng 100 µm, được khảo sát bằng phép đo laser Doppler vibrometer với
điện thế 1 V và trong dải tần số 0 – 2 MHz

5.30

Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất Q vào chiều dài thanh rung và mode tần số dao
115
động cộng hưởng

xiv


5.31

(a) Cấu trúc thanh rung áp điện được sử dụng để khảo sát độ nhạy; (b) Sự phụ
116
thuộc của độ nhạy vào chiều dài thanh rung và mode tần số dao động cộng hưởng

5.32

MHDA lên trên lớp Au của linh kiện cảm biến và mô hình cấu trúc của hợp chất
117
PSA – một chất gây ra bệnh ung thư ở người

5.33


140, 154, 209, 82]. Màng áp điện sẽ góp phần làm giảm kích thước, tăng độ nhạy cũng như
làm giảm giá thành sản phẩm. Trong các linh kiện vi cơ điện tử này thì vấn đề quan trọng
hàng đầu là việc chế tạo thành công màng áp điện có các cấu trúc và tính chất đặc trưng
như mong muốn. Cấu trúc và tính chất của màng áp điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau như phương pháp chế tạo, lớp tiếp xúc, lớp điện cực hay sự pha tạp ion.
Hiện nay có hai phương pháp được sử dụng nhiều trong việc chế tạo màng áp điện đó là
phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Các phương pháp vật lý bao gồm phương
pháp phún xạ [205, 30, 178], phương pháp bốc bay xung laser (PLD) [220, 210, 125, 53,
135] và phương pháp lắng đọng chùm phân tử epitaxy (MBE) [238]. Trong số các phương
pháp hóa học có phương pháp lắng đọng pha hơi hợp chất kim loại-hữu cơ (MOCVD) [32,
249], phương pháp lắng đọng hơi hóa học bằng plasma (PECVD) [73, 72] và phương pháp
quay phủ sol-gel [245, 75, 8, 78, 216]. Trong các phương pháp này thì phương pháp quay
phủ sol-gel là phương pháp yêu cầu thiết bị đơn giản, rẻ tiền và có thể dễ dàng thay đổi
thành phần màng cũng như phù hợp với điều kiện công nghệ hiện nay ở Việt Nam. Tuy
nhiên nhược điểm của phương pháp này là mật độ kết khối thấp và màng thường bị nứt gẫy
trong quá trình chế tạo.
Trong luận án này, màng sắt điện – áp điện PZT đã được chế tạo trên đế silic bằng

1


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 xúc đã làm tăng khả năng quay của
các đô men sắt điện. Màng PZT sau đó được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện cảm

khai nghiên cứu phát hiện các hợp chất sinh học, đặc biệt là các phân tử chất gây ra bệnh
ung thư ở người.
3.2. Những đóng góp mới của luận án
Các vấn đề mới đặt ra trong nghiên cứu này là:
(1) Chế tạo màng PZT bằng phương pháp quay phủ sol-gel (phương pháp hóa học) có
chất lượng tốt và độ lặp lại cao, cho phép thực hiện các nghiên cứu về tính chất và
chế tạo linh kiện.
(2) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ, chiều dày, điện cực, cấu trúc dị lớp, pha tạp và
thành phần của màng lên các tính chất sắt điện và áp điện, nhằm mục đích cải thiện
chất lượng của màng.
(3) Thiết kế, chế tạo và khảo sát các tính chất của các linh kiện cảm biến khối lượng
trên cơ sở, tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng khác nhau.
(4) Định hướng nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện cảm biến áp điện trong lĩnh vực
y sinh học.
4. Bố cục của luận án
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:
Mở đầu: Mục đích và lý do chọn vật liệu sắt điện-áp điện Pb(ZrxTi1-x)O3 dạng màng và
cấu trúc linh kiện cảm biến khối lượng dạng thanh rung với kích thước micro-mét.
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Công nghệ chế tạo và các phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Nghiên cứu tính chất của màng sol-gel PZT
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Fe3+ và Nb5+ đến tính chất của màng PZT
Chương 5: Nghiên cứu chế tạo linh kiện piezoMEMS sử dụng màng áp điện PZT
Phần kết luận: Tổng kết và tóm tắt các kết quả quan trọng đã đạt được trong quá trình
nghiên cứu. Cuối cùng là danh mục các công trình liên quan đến luận án đã được công
bố và tài liệu tham khảo.

3


trúc 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:
Ps = σ
trong đó Ps là độ phân cực tự phát, σ là mật độ điện tích bề mặt.

4

(1.1)


32 nhóm đối xứng điểm

11 nhóm có tâm đối xứng

21 nhóm không tâm đối xứng

20 nhóm áp điện

1 nhóm không áp điện

10 Sắt điện
Hình 1.1. Phân loại 32 lớp tinh thể nhóm điểm

1.1.1.2. Hiện tượng sắt điện
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

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),
lúc 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 khép 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 méo ô đơn vị. Tất cả các cation và anion có thể dịch chuyển tương ứng tại vị trí cân
bằng trong ô đơn vị lập phương.

Hình 1.3. Cấu trúc ABO3. Ô đơn vị của pha lập phương (a) Pha tứ giác (b) Pha trực thoi
(c) và Pha mặt thoi (d) [5] .

 0  C  C

T T0 T T0

(1.1)

trong đó C là hằng số Curie, T0 (T0  TC) là nhiệt độ Curie-Weiss
1.1.1.3. Hiện tượng phản sắt điện
Tương tự như trường hợp vật liệu sắt từ, phân cực lưỡng cực điện có thể tự định hướng
song song hoặc phản song song. Hình 1.5 hiển thị đường cong phản sắt điện, sắt điện của
hai mẫu phân cực khác nhau. Các điện tích dương và điện tích âm có thể di chuyển theo
các hướng đi xuống và đi lên. Các lưỡng cực liên kết tạo ra một trật tự phản sắt điện. Về
mặt chức năng, một vật liệu được gọi là phản sắt điện nếu nó có cấu trúc đô men của pha
sắt điện (tức là năng lượng tự do của vật liệu sắt điện và phản sắt điện phải tương tự).
Ngược lại, cho biết các ảnh hưởng của các chuyển vách đô men của pha sắt điện. Một cấu
trúc xác định để tạo thành sắt điện hoặc phản sắt điện phụ thuộc vào tổng lực điện trường
và phân cực lưỡng cực [18].

Hình 1.5. Đường cong phản sắt điện. |Eext |> Ec biến đổi thành chất sắt điện [202]

8