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 MICRONANO 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



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

MỞ ĐẦU
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ…...…………………….
1.1.1

Hiệu ứng áp điện…………………………………………..

TÍNH CHẤT
2.1
hợp………………

Phương pháp chế

2.1.1 Vật liệu……………………………………

2.1.2 Các phương pháp chế tạo………………


2.2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học
.......
2.2.1
2.2.2
2.2.3 Xác định thành phần vật liệu ……..………………………
2.3 Các phương pháp đo tính chất điện, từ…………………………...
2.3.1
2.3.2
2.4 Phương pháp khảo sát sự thay đổi tính chất từ dưới tác dụng
của điện thế………………………………………………………………..
2.4.1 Phương pháp đo…………………………………………...
2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của điện thế và phương từ trường......
Kết luận chương 2…………………………………………………….
CHƢƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT
PHÂN CỰC DỌC
3.1 PZT/CoCr………………………………………………………..
3.2 PZT/NiFe/CoFe………………………………………………….
3.2.1
3.2.2

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 ……………….…………….

1
1
1
1
1


1


5.2.1 Mô hình……………………………………………………

5.2.2 Kết quả…………………………………………………….

Kết luận……………………………………………………………….

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

Điện trƣờng
Ecr

Điện trƣờng tới hạn

F

Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể

F

Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng

F

Năng lƣợng dị hƣớng từ đàn hồi

FS

Năng lƣợng dị hƣớng bề mặt

F

Năng lƣợng dị hƣớng hình

mc
shape
me

shape


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

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

II. Các chữ viết tắt


Chữ viết
AFM
CME
CMOS
DRAM
DME
EDS
FE
FM
FMR
FESEM

FRAM

GMR
HVA
JCPDS
MF
ME
MEC
MPB



Bảng 4.2: Các giá trị độ thay đổi từ độ ∆M và tỉ số ∆M/∆U đo tại α = 0

o

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.
o

Bảng 4.6: Độ biến thiên từ độ ∆M (α = 0 ) (µemu) 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.
o

Bảng 4.8: Các giá trị độ thay đổi từ độ ∆M và tỉ số ∆M/∆U đo tại α = 0 .
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.

cong từ trễ đo tại các điện trƣờng tại = 55. 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). m x 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 PMNPT(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 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 α 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: Sư ̣phu ̣thuôc ̣ từ đô ̣của các mâũ D 1 vào điện thế tác dụng lên hai
cưc ̣ lớp áp điêṇ 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) α = 0o, b) α = 45o, c) α
= 90o.
Hình 4.7: Sự phụ thuộc từ độ theo điện thế của mẫu N2 tại các từ trƣờng

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.

Hình

5.7: Sự phụ thuộc

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

∆F

d

surf

Hình 5.9: Sự phụ thuộc của điện trường thuận
dày

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


(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