Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp micro-nano - Nguyễn Thị Minh Hồng

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 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  Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Đức Thắng 2. Nguyễn Hữu Đức LỜI CAM ĐOAN Hà Nội - 2017 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các kết quả nghiên cứu là trung thực, các tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ.

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tôi bày tỏ sự tự hào và lòng biết ơn sâu sắc tới hai ngƣời thầy đáng kính, PGS. Phạm Đức Thắng và GS. Nguyễn Hữu Đức, những ngƣời thầy với kinh nghiệm trong nghiên cứu khoa học, đã truyền cho tôi nhiệt huyết, tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi thực hiện thành công luận án này. Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo và các đồng nghiệp trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ micro và nano, Trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã quan tâm giúp đỡ, trao đổi kiến thức và kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại đây.

Tôi chân thành cảm ơn GS. Dong-Hyun Kim, GS. Nguyễn Đình Đức, PGS. 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 103.80 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 Trang MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I : TỔNG QUAN 6 1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ….1 Hiệu ứng áp điện………………………………………….2 Hiệu ứng từ giảo………………………………………….3 Hiệu ứng điện từ………………………………………….2 Vật liệu đa pha sắt……………………………………………….1 Vật liệu đơn pha………………………………………….2 Vật liệu tổ hợp…………………………………………….3 Cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trƣờng trong vật liệu đa pha 24 sắt……………………………………………………….4 Khả năng ứng dụng của vật liệu đa pha sắt trong công nghệ 32 lưu trữ thôngtin…………………………………………………………… Kết luận chương 1……………………………………………………. 36 CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT 37 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt loại tổ 37 hợp……………… 2.2 Các phương pháp chế tạo………………………….2 Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học 46 .1 Khảo sát cấu trúc tinh thể …………………………….2 Khảo sát cấu trúc vi mô ………………………………….3 Xác định thành phần vật liệu …….3 Các phương pháp đo tính chất điện, từ………………………….1 Nghiên cứu tính chất từ ………………………………….2 Khảo sát tính chất điện…………………………………….4 Phương pháp khảo sát sự thay đổi tính chất từ dưới tác dụng của điện thế……………………………………………………………….1 Phương pháp đo………………………………………….2 Khảo sát ảnh hưởng của điện thế và phương từ trường.

56 Kết luận chương 2……………………………………………………. 56 CHƢƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT PHÂN CỰC DỌC 57 3.2 PZT/NiFe/CoFe………………………………………………….1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần…………………… 62 3.2 Tính chất từ ……………………………………………….3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ ………………… 67 3.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ 72 ……… Kết luận chương 3……………………………………………………. 75 CHƢƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ PZT PHÂN CỰC NGANG 76 4.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần………………………….2 Tính chất từ……………………………………………………….3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ ……………………….1 Sự thay đổi của từ độ dưới tác dụng của điện thế….2 Quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện 89 thế……………… 4.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ 94 …………….5 Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ 98 …………… Kết luận chương 4……………………………………………………. 100 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 10 2 5.1 Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp …………………….2 Ảnh hưởng của các yếu tố dị hướng lên quá trình định hướng 1 mômen từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp ……………….

12 0 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 Cij Hằng số đàn hồi d Độ dày dtr Độ dày chuyển pha dcr Độ dày tới hạn dij Hệ số tích điện e Độ biến dạng tự phát eo Biến dạng dƣ trong lớp sắt từ E Điện trƣờng Ecr Điện trƣờng tới hạn Fmc Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể Fshape Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng Fme Năng lƣợng dị hƣớng từ đàn hồi FS Năng lƣợng dị hƣớng bề mặt Fshape Năng lƣợng dị hƣớng hình dạng g Hệ số thế áp điện H Từ trƣờng Hbias Từ trƣờng bias HC Lực kháng từ H Trƣờng ứng suất m3 Cosin chỉ hƣớng M Từ độ MS 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 U Điện thế  Hệ số liên kết  Hằng số điện môi εp(U) Biến dạng của đế áp điện theo điện thế  Ứng suất  Từ giảo HeffOP(U) Sự thay đổi tổng dị hƣớng từ dƣới tác dụng của điện trƣờng ΔKS (U) Sự thay đổi của năng lƣợng dị hƣớng bề mặt II. Các chữ viết tắt Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt AFM tắt Antiferromagnatic Phản sắt từ CME Converse magnetoelectric effect Hiệu ứng điện từ ngƣợc CMOS Complementary metal oxide CMOS DRAM semiconductor Dynamic random access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DME Direct magnetoelectric effect Hiệu ứng điện từ thuận EDS Energy-dispersive X-rays Kính hiển vi tán sắc năng spectroscopy lƣợng tia X FE Ferroelectric Sắt điện FM Ferromagnetic Sắt từ FMR Ferromagnetic resonance Cộng hƣởng sắt từ FESEM Field emission scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng FRAM Ferroelectric random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Memory sắt điện GMR Giant magneto-resistance Từ trở khổng lồ HVA High voltage amplifier Bộ khuếch đại cao áp JCPDS Joint committee on powder Thẻ chuẩn nhiễu xạ diffraction standards MF Multiferroics Đa pha sắt ME Magnetoelectric effect Hiệu ứng điện từ MEC Magnetoelectric coupling Tƣơng tác điện từ MPB Morphotropic phase boundary Biên pha hình thái học MERAM Magneto-electric random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên memories điện từ MRAM Magnetoresistance random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên memories từ điện trở NVRAM Non-volatile random access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên memory không tự xóa PVDF Polyvinylidene fluoride PVDF PZT Lead Zirconium Titanium PbZrxTi1-xO3 SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SRAM Static random access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh SNR Sign to noise ratio Tỷ số nhiễu và tín hiệu TMR Tunneling magneto-resistance Từ trở xuyên ngầm VSM Vibrating sample magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số vật liệu đa pha sắt loại đơn pha.2: Hệ số thế điện từ thuận DME của một số vật liệu đa pha sắt tổ hợp.1: Các thông số cơ bản của vật liệu áp điện PZT.2: Các thông số chế tạo các lớp màng mỏng NiFe, CoFe.1: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu tổ hợp CoCr/PZT.2: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu D1, D2, D3 và D4.3: Sự thay đổi từ độ M, sự thay đổi từ độ trong dải điện thế tác động M/U của các mẫu (đo tại Hbias = -50 Oe).4: Thế đảo từ Uđ(V) của các mẫu Di tại các từ trường khác nhau.5: Các giá trị M, Uđ của mẫu D1 đo theo các góc  khác nhau.1: 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.2: Các giá trị độ thay đổi từ độ M và tỉ số M/U đo tại  = 0o Bảng 4.3: Thế đảo từ Uđ của các mẫu Ni tại các từ trường khác nhau.4: Thế đảo từ Uđ của mẫu Ni đo tại các góc α khác nhau.5: Độ dốc (tg φ) của đường M(U) tại các góc α khác nhau.6: Độ biến thiên từ độ M ( = 0o) (emu) đo tại các giá trị điện thế và từ trường Hbias khác nhau.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.8: Các giá trị độ thay đổi từ độ M và tỉ số M/U đo tại  = 0o.9: Thế đảo từ Uđ của các mẫu tại các từ trường Hbias khác nhau.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.2: Cấu trúc ô cơ sở của vật liệu PZT: a) Khi chưa có điện thế b) Khi có điện thế tác động.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.4: Mối quan hệ của các thông số E, P, H, M, e, E trong hiệu ứng điện từ.5: Phân loại vật liệu đa pha sắt và vật liệu điện từ.6: Cấu trúc của vật liệu đa pha sắt loại đơn pha và tổ hợp.7: Cấu trúc của vật liệu perovskite ABO3: a) Ô cơ sở của perovskite, b) Mạng tinh thể perovskite, c) Biến dạng cấu trúc tinh thể do lực điện tĩnh giữa các ion, d) Phân cực điện của tinh thể.8: Một số vật liệu đơn pha loại I nhƣ BiFeO3, REMnO3.9: Một số vật liệu đơn pha loại II nhƣ HoMnO3, TbMn2O5.