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. Tính chất của các màng mỏng BLT, PZT ủ tăng nhiệt chậm trên đế silic
3.1.1.2. Tính chất điện của hệ màng mỏng sắt điện BLT, PZT
61
Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu (a) PZT550, (b) PZT600, (c) PZT650, (d) PZT700 và (e) mặt cắt của mẫu PZT600.
3.1.1.2. Tính chất điện của hệ màng mỏng sắt điện BLT, PZT
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 môi 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 còn 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) không 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 vô 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 rò 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 dòng 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 dòng nhỏ nhất (29,43 A/cm2)
65 c. Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian
Hình 3.10. Đặc trưng dòng rò của các mẫu BLT650, BLT675, BLT700 và BLT725.
Đặc trƣng J-t cho thấy tại thời điểm t = 0, dòng rò 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 nuôi phụ làm cho dòng rò khá lớn ngay tại t = 0 nhƣ Hình 3.10. Hiện tƣợng dòng rò 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/cm2 ) J (μA/cm2 ) J (mA/cm2 )
t (ms) t (ms)
t (ms) t (ms)
J (mA/cm2 )
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
Nguyên nhân là do đóng góp của dòng 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 ròng dò của các mẫu là rất nhỏ cỡ 2,00 5,00μA/cm2. Tuy nhiên, khi thế áp tăng thì giá trị của dòng rò cũng tăng theo. Hình 3.11 (f) là giá trị dòng rò 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 dòng rò 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.