CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CÁC HỆ MÀNG MỎNG
3.1. Khảo sát tính chất của các màng mỏng sắt điện (BLT, PZT)
3.1.1.2. Tính chất điện của hệ màng mỏng sắt điện BLT, PZT
a. Đặc trưng điện trễ
Đặc trƣng điện trễ của các hệ mẫu BLT và PZT đƣợc đo ở các điện thế áp là 0,8 V, 1,6 V, 2,4 V, 3,2 V và 4 V. Với độ dày của của các mẫu xấp xỉ 160 nm thì các điện trƣờng áp vào mẫu tƣơng ứng là 50, 100, 150, 200 và 250 kV/cm.
Đặc trƣng điện trễ của mẫu BLT650, BLT675 và BLT700 cho thấy phân cực dƣ của các mẫu phụ thuộc điện trƣờng (P-E) có dạng tuyến tính. Khi có điện trƣờng tác dụng, độ phân cực tăng nhƣng khi ngắt điện trƣờng, độ phân cực lại trở về 0 (Hình 3.7 (a), (b), (c)). Điều này cho thấy đây là đặc trƣng của vật liệu có dạng vi tinh thể, cụ thể là các véc-tơ phân cực trong lịng vật liệu khơng có sắp xếp theo phƣơng ƣu tiên mà định hƣớng hỗn loạn, giống đặc trƣng của vật liệu thuận điện.
Đối với mẫu BLT725, đặc trƣng P-E thể hiện rõ dạng của đƣờng cong điện trễ (màng đã đƣợc phân cực), có tính đối xứng, nhƣng chƣa có dấu hiệu bão hòa điện trƣờng áp 250 kV/cm, phân cực dƣ ở thế áp 4 V là 9,82 µC/cm2
(Hình 3.7 (d)), tƣơng đƣơng với kết quả thu đƣợc của một số nghiên cứu khác [96, 95], tuy nhiên
(b)
(a) (c)
(d) (e)
500 nm 300 nm 300 nm
500 nm
62
giá trị này vẫn còn nhỏ so với giá trị Pr = 41,00 µC/cm2 đƣợc báo cáo bởi R. Li và các đồng nghiệp [107]. Trƣờng kháng điện (EC) cỡ 50 kV/cm, giá trị này chỉ bằng một nửa so với báo cáo của Tomar, tức là có thể phù hợp hoạt động ở điện thế thấp.
Kết quả khảo sát đặc trƣng P(E) của các mẫu BLT750, BLT775, BLT800 và BLT825 không đo đƣợc, ở đây có hiện tƣợng đánh thủng lớp điện môi, ứng với dòng rò rất lớn. Nguyên nhân của việc đánh thủng điện mơi này có thể là do sự bay hơi của Bi ở nhiệt độ ủ cao. Có thể giải thích sự vắng mặt của các pha thiếu Bi trong giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu trên là do hàm lƣợng phần trăm của pha thiếu Bi vẫn cịn nhỏ (khó xác định), cần các phép khảo sát khác có độ chính xác cao hơn để phát hiện các pha này.
Hình 3.7. Đặc trưng P(E) của các mẫu (a) BLT650, (b) BLT 675, (c) BLT700 và (d)
BLT725.
(a) (b)
63
Hình 3.8. Đặc trưng P-E của các mẫu (a) PZT500, (b)PZT550, (c) PZT600, (d)
PZT650, (e) PZT700 và (f) đặc trưng P-E của các mẫu ở thế áp 4V.
Hình 3.8 là đặc trƣng P(E) của hệ mẫu PZT. Đối với mẫu PZT500, đƣờng P(E) khơng có đặc trƣng điện trễ mà có dạng tuyến tính của vật liệu thuận điện
(Hình 3.8 (a)). Điều này chứng tỏ mẫu PZT500 có dạng vơ định hình hoặc vi tinh
64
thể, trong vật liệu không tồn tại các đômen sắt điện. Kết luận này cũng phù hợp với kết quả đo giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PZT500 nhƣ đã nêu ở phần 3.1.1.1.
Hình 3.8 (b) là đặc trƣng P(E) của mẫu PZT550, ở điện thế áp thấp 0,8V, đặc trƣng P(E) chƣa có dạng trễ điện. Khi điện thế áp cao hơn, dạng trễ đặc trƣng có tính đối xứng cao của vật liệu sắt điện đã đƣợc ghi nhận với độ phân cực dƣ Pr là 19,87 μC/cm2, độ phân cực bão hòa Ps khoảng 30,00 μC/cm2 và trƣờng kháng điện
EC đạt khoảng 90 kV/cm tại thế phân cực 4 V.
Đặc trƣng P(E) của các mẫu PZT600, PZT650 và PZT700 đƣợc thể hiện ở Hình 3.8 (c), (d), (e). Ở điện thế áp 0,8 V, đặc trƣng P(E) của của các mẫu chƣa có dạng trễ điện, chứng tỏ năng lƣợng của điện trƣờng này chƣa đủ để định hƣớng các đômen sắt điện. Ở điện trƣờng áp cao hơn, đƣờng cong P(E) thể hiện tính trễ điện và có tính đối xứng khá cao. Với mẫu PZT600, khi thế áp chỉ 1,6 V, đƣờng P(E) đã có dạng trễ đặc trƣng (màng đã đƣợc phân cực) với độ phân cực dƣ và độ phân cực bão hòa xấp xỉ 15,00 và 25,00 μC/cm2, lực kháng điện cỡ 50 kV/cm. Theo chiều tăng của nhiệt độ thì phân cực dƣ và trƣờng kháng điện của các mẫu giảm dần.
b. Đặc trưng dòng rị phụ thuộc điện trường J(E).
Hình 3.9. Đặc trưng J(E) của hệ mẫu BLT và hệ mẫu PZT.
Hình 3.9 là đặc trƣng J(E) của hệ mẫu BLT và hệ mẫu PZT. Khi bắt đầu áp dụng điện trƣờng thì mật độ dịng tăng rất nhanh nhƣng sau đó tăng tuyến tính theo E, đặc trƣng J(E) trong vùng này tuân theo định luật Ohm. Tại điện trƣờng áp 250 kV/cm, mẫu BLT725 có giá trị mật độ dòng nhỏ nhất trong hệ mẫu BLT (29,65 A/cm2), mẫu PZT600 có giá trị mật độ dịng nhỏ nhất (29,43 A/cm2)
65
c. Đặc trưng dòng rị phụ thuộc thời gian
Hình 3.10. Đặc trưng dịng rò của các mẫu BLT650, BLT675, BLT700 và BLT725.
Đặc trƣng J-t cho thấy tại thời điểm t = 0, dịng rị đã có giá trị khá lớn. Hiện tƣợng này là do trong phép đo J-t, đối với các điện thế khác nhau, thiết bị đo không khử phân cực dƣ của vật liệu sắt điện. Sự phân cực dƣ giống nhƣ một nguồn điện ni phụ làm cho dịng rị khá lớn ngay tại t = 0 nhƣ Hình 3.10. Hiện tƣợng dịng rị khá lớn ngay tại t = 0 của đƣờng J-t do phân cực dƣ có thể đƣợc triệt tiêu khi sử
dụng kỹ thuật giảm dần xung điện thế tác dụng từ từ về 0 để khử hoàn toàn phân cực dƣ trƣớc khi thực hiện phép đo J-t ứng với mỗi giá trị điện thế tác dụng [17].
Đặc trƣng dòng rò của hệ màng mỏng BLT đã đƣợc khảo (Hình 3.10). Ở các thế áp thấp (< 3,2 V) dòng rò của tất cả các mẫu là rất nhỏ (< 30,00 μA/cm2). Ở thế áp 3,2 V và 4 V, dòng rò của mẫu BLT725 chỉ xấp xỉ 30,00 μA/cm2. Giá trị này là nhỏ nhất trong hệ vật liệu BLT mà chúng tôi đã khảo sát.
J ( μA /c m 2 ) J ( μA /c m 2 ) J ( m A /c m 2 ) t (ms) t (ms) t (ms) t (ms) J ( m A /c m 2 )
66
Hình 3.11. Đặc trưng J(t) của hệ PZT ủ tăng nhiệt chậm (a) PZT500, (b) PZT550,
(c) PZT600, (d) PZT650, (e)PZT700 và (f) đặc trưng J(t) của các mẫu ở thế áp 4 V.
Kết quả đo dòng rò của các mẫu PZT500, PZT550, PZT600, PZT650 và PZT700 đƣợc thể hiện trên Hình 3.11. Khi điện thế tác dụng 4 V, dáng điệu của đƣờng J-t cho thấy không trơn tru, nhƣ các trƣờng hợp điện thế nhỏ (< 3,2 V).
PZT500 (a) PZT550 (b) PZT600 (c) PZT650 (d) PZT700 (e) (f)
67
Ngun nhân là do đóng góp của dịng phân cực trong vật liệu sắt điện xuất hiện sau phép đo J-t ứng với điện thế áp lớn hơn 3,2 V. Hiện tƣợng này cũng có thể loại bỏ khi sử dụng kỹ thuật giảm dần xung điện thế tác dụng từ từ về 0 để khử hoàn toàn phân cực dƣ trƣớc khi thực hiện phép đo J-t ứng với mỗi giá trị điện thế.
Ở các thế áp nhỏ (0,8 V, 1,6 V, 2,4 V) thì mật độ rịng dị của các mẫu là rất nhỏ cỡ 2,00 5,00μA/cm2. Tuy nhiên, khi thế áp tăng thì giá trị của dịng rị cũng tăng theo. Hình 3.11 (f) là giá trị dịng rị của các mẫu ở thế áp 4V, dòng rò của mẫu PZT600 nhỏ nhất (19,65 μA/cm2) trong các mẫu thể hiện tính sắt điện.
Có thể nhận định mẫu màng mỏng BLT chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch ủ tại 725oC có đặc trƣng điện tốt nhất, nhƣng chƣa so sánh đƣợc với vật liệu PZT. Để cải thiện tính chất màng BLT chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch cần tính tới việc bù Bi (do bị bay hơi trong quá trình ủ).
Bảng 3.2. Các giá trị độ phân cực bão hòa (PSat), phân cực dư (Pr), trường kháng điện (EC) và mật độ dòng rò (Jrò) của các mẫu ở thế áp 5V.
Mẫu BLT725 PZT500 PZT550 PZT600 PZT650 PZT700 PSat (μC/cm2 ) - - 29,56 30,14 29,74 25,04 Pr (μC/cm2) 9,82 - 19,87 22,79 16,28 14,72 EC (kV/cm) 50,13 - 90,24 80,34 79,48 69,36 Jrò (μA/cm2) 29,77 61,58 23,14 19,51 155,50 230,15 Bảng 3.2 là các giá trị phân cực dƣ, trƣờng kháng điện và giá trị dòng rò của các mẫu BLT725 và các mẫu PZT ở điện trƣờng áp 250 kV/cm. Các kết quả Pr thu đƣợc lớn hơn của một số tác giả khác từ 4,00 – 6,00 μC/cm2
[104, 126]. Tuy nhiên, giá trị EC thì tƣơng đƣơng với các nghiên cứu trên. Các kết quả về đặc trƣng điện trễ và dịng rị cho thấy màng PZT600 có thể đáp ứng tốt cho ứng dụng bộ nhớ sắt điện với khả năng lƣu trữ cao có thể làm việc với điện thế hoạt động dƣới 4 V.