Luận án Tiến sĩ Vật lý: Hiệu ứng phụ thuộc kích thước màng mỏng perovskite

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Từ Niệm NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HIỆU ỨNG PHỤ THUỘC KÍCH THƯỚC TRONG MÀNG MỎNG PEROVSKITE CÓ TRẬT TỰ XA LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Từ Niệm NGHIÊN CỨU MỘT SỐ HIỆU ỨNG PHỤ THUỘC KÍCH THƯỚC TRONG MÀNG MỎNG PEROVSKITE CÓ TRẬT TỰ XA Chuyên ngành: V ật lý lý thuy ết và Vật lý toán Mã số : 62.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Bạch Thành Công Hà Nội - 2018 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 4 DANH MỤC CÁC KÍ HI ỆU VÀ CH Ữ VIẾT TẮT. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ.

TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PHỤ THUỘC KÍCH THƯỚC TRONG MÀNG M ỎNG CÓ TR ẬT TỰ XA. MỘT SỐ VẤN ĐỀ NGHIÊN C ỨU VỀ MÀNG M ỎNG. Sự phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha vào độ dày màng m ỏng. Sự phụ thuộc của tham số trật tự vào độ dày màng m ỏng.

Sự tái định hướng spin phụ thuộc độ dày màng m ỏng. Lý thuy ết chuyển pha hiện tượng luận của Landau. Lý thuy ết hàm Green hai thời điểm. HIỆU ỨNG PHỤ THUỘC KÍCH THƯỚC TRONG MÀNG M ỎNG MÔ T Ả BẰNG MÔ HÌNH ISING TRONG TR ƯỜNG NGANG.

HAMILTONIAN ISING TRONG TRƯỜNG NGANG VÀ D ỌC. GẦN ĐÚNG TRƯỜNG TRUNG BÌNH CHO HỆ SPIN MÔ T Ả BẰNG MÔ HÌNH ISING NGANG. Phương trình xác định tham số trật tự. Phương trình xác định nhiệt độ chuyển pha Curie.

Chuyển pha lượng tử theo lý thuy ết trường trung bình. Kết quả tính số. PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN PHIẾM HÀM CHO MÔ HÌNH ISING TRONG TRƯỜNG NGANG. GẦN ĐÚNG GAUSSIAN CHO NĂNG LƯỢNG TỰ DO.

NĂNG LƯỢNG SÓNG SPIN VÀ ĐỘ CẢM TỪ CỦA MÀNG MỎNG MỘT LỚP MÔ T Ả BẰNG MÔ HÌNH XZ HE ISENBERG. HAMILTONIAN CHO MÀNG M ỎNG XZ HEISENBERG DỊ HƯỚNG ĐƠN LỚP. BIỂU DIỄN TÍCH PHÂN PHI ẾM HÀM CHO HÀM GREEN MATS UBARA, GẦN ĐÚNG GAUSSIAN. ĐỘ CẢM TỪ VÀ NĂNG LƯỢNG SÓNG SPIN TRONG MÀNG M ỎNG SPIN ĐƠN LỚP.

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TƯƠNG TÁC ĐẾN NHIỆT ĐỘ CURIE VÀ S Ự TÁI ĐỊNH HƯỚNG SPIN TRONG MÀNG M ỎNG TỪ MÔ T Ả BẰNG MÔ HÌNH HEISENBERG DỊ HƯỚNG. SỰ TÁI ĐỊNH HƯỚNG SPIN TRONG MÀNG M ỎNG TỪ HEISENBERG VỚI DỊ HƯỚNG ION ĐƠN TRỤC. Mô hình Heisenberg với dị hướng ion đơn trục cho màng mỏng từ. Kết quả và thảo luận.

VAI TRÒ C ỦA TƯƠNG TÁC LƯỠNG CỰC VÀ D Ị HƯỚNG TRONG MÀNG MỎNG. Mô hình Heisenberg cho màng mỏng từ có ch ứa tương tác lưỡng cực và dị hướng. Hàm Green Matsubara. Kết quả tính số.

89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4. 91 KẾT LUẬN CHUNG CHO LUẬN ÁN. 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA H ỌC ĐÃ CÔNG B Ố CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 95 DANH MỤC TÀI LI ỆU THAM KHẢO.

TRỊ RIÊNG C ỦA MA TRẬN TOEPLITZ. TÍCH PHÂN GAUSS.111 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, khách quan và đã được công b ố theo đúng quy định. Các kết quả này chưa từng được sử dụng trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án Nguyễn Từ Niệm LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành nh ững lời cảm ơn đầu tiên và sâu s ắc nhất của mình gửi tới GS. Bạch Thành Công, người thầy đã luôn nhi ệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành công tr ình nghiên cứu này và đã giúp đỡ tôi trưởng thành hơn trên con đường nghiên cứu khoa học của mình. Tôi xin bày t ỏ lòng bi ết ơn đến các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn V ật lý Đại cương đã t ạo mọi điều kiện thuận lợi, luôn giúp đỡ và động viên tôi r ất nhiều trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin g ửi lời cảm ơn đến Khoa Vật lý, T rường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Xin gửi lời cảm ơn đến đề tài NAFOSTED 103.01-2015-92 đã h ỗ trợ kinh phí để tôi hoàn thành công trình này. ã Cuối cùng, tôi xin g ửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đìnhđ luôn động viên và là ch ỗ dựa vững chắc cho tôi, giúp tôi thêm ngh ị lực để hoàn thành lu ận án này. Hà Nội, năm 2018 Nguyễn Từ Niệm DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MFA: Mean Field Approximation (Gần đúng trường trung bình). TPPH: Tích phân phiếm hàm.

LCGN: Lân cận gần nhất (nearest neighbour). QCP: Điểm chuyển pha lượng tử (Quantum Critical Point) TIM: Mô hình Ising trong trường ngang (Transverse Ising Model) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0. Giản đồ sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha sắt điện-thuận điện vào tham số điều chỉnh của vật liệu sắt điện [86]. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào độ dày màng Ni [78].

Nhiệt độ Curie sắt điện của màng mỏng perovskite PbTiO3 giảm rất nhanh khi độ dày màng c ỡ 6-7 kích thước ô cơ sở và hầu như bằng không khi độ dày màng cỡ khoảng 3 kích thước ô cơ sở. Đường chấm mờ mô t ả kết quả khi làm khớp số liệu thực nghiệm theo lý thuy ết Landau [26]. Sự phụ thuộc moment từ vào độ dày của màng La-Mn-Sr-O [76]. Sự phụ thuộc kích thước của độ từ hóa bão hòa trong màng m ỏng Au/Ni/Si(100) [91].

Ảnh hưởng của độ dày màng BTO lên độ phân cực tại nhiệt độ phòng [42]. Sự phụ thuộc độ dày màng PZT c ủa độ phân cực tỷ đối [33]. Đồ thị năng lượng tự do như hàm của độ phân cực F(P) cho chuyển pha loại 2[105]. Kích thước tới hạn theo lý thuy ết trường trung bình khi năng lượng bề mặt dương   0 [105].

Vị trí của spin trong mạng tinh thể được cho bởi vectơ vị trí r j. Ở đây chỉ số lớp spin là  ( 1, 2,., n) và vectơ 2 chiều R j nằm trong mặt phẳng mạng song song với mặt màng mỏng. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thành ph ần độ phân cực mx/s, mz/s trong màng mỏng đối xứng hai lớp với các tham số η = 0. Sự phụ thuộc của trung bình các thành phần độ phân cực vào trường ngang đối với màng mỏng gồm một hoặc hai lớp spin (n=1,2).

Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào độ dày màng v ới các hằng số trao đổi dị hướng khác nhau (a) với tham số được chọn: Ω0 /J=2.0; s=1 và h0 =0 và với các giá tr ị trường ngang khác nhau (b) khi s=1, h0=0, η=1. Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie vào trường ngang với η=1. Sự phụ thuộc của trường ngang tới hạn vào độ dày màng m ỏng với các hằng số trao đổi dị hướng khác nhau khi chỉ số spin của màng có giá tr ị: s=1(a) và s=3/2 (b). Đồ thị so sánh số liệu thực nghiệm và tính toán lý thuy ết cho màng mỏng perovskite PbTiO3.

Tham số lý thuy ết tương ứng là: Ω0/J=6. Giản đồ Feymann cho phiếm hàm tương tác (2.51) đến bậc 4 của biến z ên ứng với hàm K  (q1 , q2 ) trường. Đường lượn sóng ứng với  ( q) , đường mũi t   1 2. Các biểu thị và quy tắc của giản đồ được Izyumov đưa ra trong [45].

Định hướng của hệ trục tọa độ mạng tinh thể xyz và hệ tọa độ quay XYZ. Trục OZ trùng v ới hướng của trường tổng hợp  nằm trong mặt xOz và tạo một góc  so với mặt phẳng màng. Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ phân cực tổng m và các thành ph ần mz, mx, góc nghiêng q với s=1, h0 = 0, L = 0. Đồ thị mz, mx được vẽ với  0  1.

Đồ thị 67 của m được vẽ với 0 0 Hình 3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của năng lượng sóng spin trong màng một lớp: kx=ky=0. Ở đây spin có giá trị s=1 và h0=0. Sự phụ thuộc năng lượng sóng spin của màng đơn lớp tại tâm vùng Brillouin vào trường ngang tại nhiệt độ   1.

Mô hình các lớp spin trong hai hệ tọa độ Oxyz và OXYZ. Từ trường ngoài h tạo với trục OX một góc l à  ,  là góc quay c ủa các spin trong trường ngoài h. R j xác định vị trí của spin trong mặt phẳng song song với mặt màng. J s là tương tác trao đổi lân cận gần nhất giữa các spin trong cùng m ột lớp, Jp là tương tác trao đổi lân cận gần nhất giữa các spin trong các l ớp khác nhau.

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ phân cực từ trong màng mỏng cấu trúc lập phương hai lớp (a) và ba lớp (b) với các giá tr ị khác nhau của tham số tương tác trao đổi bề mặt khi s=1, d=0. Sự thay đổi của góc θ (góc gi ữa vectơ phân cực từ và phương pháp tuyến với mặt màng) theo trường ngoài h. Sự phụ thuộc trường ngoài của các thành ph ần mx, mz với các giá tr ị ζ khác nhau. Tính toán thực hiện cho n=2, ε=0.

Sự phụ thuộc của góc θ trong màng m ỏng hai lớp vào cường độ trường ngoài tạo với trục OX một góc ε=π/6. Các tham s ố được chọn trong hệ đơn vị của Jp là d=0. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie của màng mỏng một lớp cấu trúc hình vuông vào tham s ố   J s / Jd , s=1/2. Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie vào độ lớn trao đổi sắt từ bề mặt cho màng tự do hai lớp có c ấu trúc l ập phương và spin s=1/2.

Nhiệt độ Curie phụ thuộc vào tương tác trao đổi sắt từ bề mặt đối với các màng mỏng có độ dày và spin khác nhau khi d ị hướng bằng không. 91 MỞ ĐẦU Hiện nay màng mỏng có tr ật tự xa (trật tự sắt từ hoặc trật tự sắt điện) gọi chung là màng mỏng ferroic được áp dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện điện tử thế hệ mới, các bộ nhớ sắt điện (FeRAMs), DRAM, MRAM (bộ nhớ sắt từ truy cập ngẫu nhiên), các t ụ điện có dung lượng lớn, cảm biến từ trường siêu nhạy [39, 85]. Những tính chất mới và tiềm năng ứng dụng to lớn làm cho lĩnh vực nghiên cứu về màng mỏng ngày càng phát tri ển mạnh mẽ. Trong thực tế, mặc dù màng m ỏng có tác động rất lớn trong công ngh ệ lưu trữ thông tin, s ự nghiên cứu về màng mỏng cũng chỉ đang ở giai đoạn khám phá ban đầu và sự nghiên cứu lâu dài v ề lĩnh vực này là c ần thiết.