Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tin

Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tinChế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tinChế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tinChế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tinChế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micronano trên nền sắt điện định hướng ứng dụng trong lưu trữ thông tin

ể t o ra v t li ắt tổ hợ ư ểm của cả hai pha v t li u

Hi u ứ i n t xảy t li ắt ượng v t

li u bị â ự dướ dụng của t ườ y ược l i, v t

li u bị y ổi t ộ ặ ường Hướng n ứu về khả

ă ều khiể t t của v t li u bằn n thế/ ườ y ì

sử dụng t ường ú ược sự q â ủ ọc bởi khả ă ứng dụ ô ư ữ ô K ớ ơ ế

ảo t truyền thống, trong v t li u y, nhờ ế n t giữ

v q ì ảo t ể ược thực hi dướ dụng củ n

ườ Bộ nhớ MERAM ứng dụ ơ ế ảo t bằ ường nhiều ư ể ượt trội so vớ ươ yền thống: ă ộ

ư ữ ô , ố ộ ghi bộ nhớ , ă ượ ,

ô ây ả ưở ế ô ớ x q d ă ộ bền

ô ớ

Bắt kịp xu thế ứ ế giới, trong lu y, ú ô tiế ứ ế t o v t li u tổ hợp giữa v t li ỏng sắt t t t giả , ớ ụ ứ

ch t của v t li u tổ hợ ả ă ảo t cảm ứ ường dự

hi u ứ n t ược

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu đa pha sắt

Nế xé q ểm về ần v t li u, v t li ắ ể

ượ : ơ [99, 103] ổ hợp [24, 82] ì 1.2) Trong v t li ơ , u ứng thể ,

Vật liệu đơn pha Vật liệu tổ hợp

Vật liệu đơn pha Vật liệu tổ hợp

lo ơ ế v t li u sắ n, v t li ắ ơ ược Khomskii

â : V t li ắ ơ I i 2 [30]

Hi u ứ n t trong c t li u ơ ường xảy ra ở nhi ộ

th ường cao, cộ ưởng sắ ắt t th p, h số ươ

1.2 Hiệu ứng điện từ

Hi u ứ n t u ứ ều khiể ộ â ực tự P ằng ộng t ường (H) hoặ ều khiển t ộ tự M ằ

ộ ườ E ô q ự biến d ng ()

1.2.1 Hiệu ứng áp điện

Hi u ứ n lầ ầ ượ ă 1880 ởi anh

C , J q P C , ể K ịu dụng của lự , ể bị â ự n, sự â ự y ỉ l

vớ ộ lớ ướng của lự dụ Độ é ộ ã ủ ể sinh ra mộ n thế â ự ược tỉ l với lự ặ Đây u ứng

n thu S ũ q y nế ặt mộ n thế ể

n sẽ xu t hi n mộ ườ ể d ặc co ngắn theo

sự â ực củ ườ ỉ l thu n vớ ộ lớn củ ường Hi u

ứ ặ ư ằ ô ức:

= -k (1.1)

tr : số ặ ư t li u,  > 0 nế ứng su é ,

 < 0 nế ứng su é

1.2.2 Hiệu ứng từ giảo

T giả ượ y ổ ước của v t li u t khi tr

t củ y ổi Hi ượng t giả y ược James Prescott Joule

vị do t n t ươ ữ â ự â ực t

1.3 Cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trường trong vật liệu đa pha sắt

Một trong nhữ ướ ượ ứu hi y q â

q ế ều khiể ơ ế t bằ ường V t li ắ

ươ n t giữa pha sắt t ắ ò t li u nền

é n t ơ ế ều khiể t t bằ ường Q ì

ều khiể ô bằ ường trong v t li ắt tổ hợ thể ượ x ịnh bằ ươ i giữa pha sắt t ế n/sắt

Dưới ả ưởng của ứng su ơ ọ y, t li u sắt t - t giả ũ

bị biến d d ộ sẽ y ổi (về ộ lớ ị ướng)

1.4 Khả năng ứng dụng của vật liệu đa pha sắt trong công nghệ lưu trữ thông tin

C ơ ế ảo t bằ ườ ú n t tổ hợp

ã ược ứng dụ ể chế t ộ nhớ MERAM Bộ nhớ MERAM sử

dụ ươ ảo t bằ ườ ữ ư ểm so vớ thế h MRAM ư: ướ ô ớ ược thu nhỏ ô bị giới h n,

tố ộ ô , ă ượng th p

Kết luận chương 1

C ươ 1 ì y ổng quan về v t li ắ â i; hi u

ứ n t ả ă ứng dụng của v t li y ô ư ữ

ô ã ượ ì y Cơ ế ảo t bằ ườ ược ứng dụng

ư ộ ơ ế ghi t mới thay thế cho ghi t bằng t ườ y dò

n, khắc phụ ượ n chế củ ộ nhớ t ướ ây

CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT

2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu đa pha sắt loại tổ hợp

2.1.1 V t li u

2.1.1.1 V t li u sắ n

V t li n sử dụng trong lu n P Z 0.48Ti0.52)O3 u PZT-APC 855 d ng t m mỏ ộ d y 500 m) củ ã A Piezoceramics Inc (PA, USA) C ô ố ặ ư ủ ế n : số n d31 = -276 pC/N, h số chuyể ổ ơ n k33 = 0.76, TC =

200oC Đế PZT c i ươ ứng vớ ướ â ự : dọ

ề d y ủ ế ề mặ ế

ều khiể ược

Bảng 2.2: Các thông số chế tạo các lớp màng mỏng NiFe, CoFe

2.2.2 Khảo c ú ô

N ứ ì ọc bề mặ ú ô ằ ển

n tử q é SEM, S-3400N, Hitachi), ể n tử q é ộ â giải cao (FESEM, S-4800, Hitachi) (FESEM - ZEISS Ultra+)

2.2.3 X ị ần v t li u

C é ề phổ ắ ă ượ ược thực hi ết bị hiể n tử q é x ường (FE-SEM, JSM-7600F, JEOL) ợp với phổ kế ắ ă ượ X EDS ầu dò ỳ q ô (CL)

2.3 Các phương pháp đo tính chất điện, từ

2.3.2.2 P é dò ò

Dò ò ủa một ch ô ượ x ị q ặ ư J-V, sử dụng thiết bị (LC10, Radiant)

C ú ô ế p thế n cực của mẫu với dả n thế

y ổi t -400V ến 400V Sử dụng thiết bị VSM, ú ô ể thu

ượ ường M(U) biểu diễn sự phụ thuộc của t ộ M n thế dụng U

2.4.3 C é q

Dựa t ết l m ở ú ô ế ả ường M(U) t ường Hbias ướng

ủa t ường so với mặt phẳng mẫu α = 0o

, α = 45o α = 90o

Kết luận chương 2

Chương 2 giới thi phươ ế t o v t li ắt tổ

hợ ã ử dụ , ươ â ú , cứu c ú ô, ú ể n, t n t của

v t li ắt

CHƯƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ PZT PHÂN CỰC DỌC

Hình 3.4: Sự phụ thuộc từ độ vào điện thế tác động tại các từ trường ngoài

khác nhau đối với mẫu P2

Sự phụ thuộc của t ộ n thế M(U) của mẫ ểu P2 giảm

dầ ă n thế ượ ì y ì 3.4 Ở ây M = M(U) -

M 0 , M U ộ y ổ dướ dụng củ n thế U M 0

-0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004

P2

U d

ộ ô n thế M ể t 840 emu trong khoảng thế t -400V ến +400V

C ẫ ược chế t ế PZT â ực dọ ược lựa chọ ể

ì y ết quả ươ 3 u lầ ượ D1, D2, D3 D4 (ứng vớ ẫ ờ ú x lớp CoFe cố ị 60 ú , ời

dị ướng t mặt phẳng của lớp sắt t NiFe/CoFe C ô ố t ặc

ư ược li Bảng 3.2

Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng của các mẫu D1, D2, D3 và D4

// 45 o 90 o // 45 o 90 o

U d

H bias (Oe)

D1 D3

ảo t trong v t li u tổ hợp xảy ra do sự c nh tranh giữ ă ượng t

ườ ă ượ ường

3.2.4 Ả ưởng củ ươ ườ ế t t

C ú y rằng t α # 0o

ị t ộ M vẫ x ướng giảm tuyế n thế ộ ế n PZT x ì 3.13) T y ự y ổi của t ộ M y ộ dốc củ ường M(U)) giảm dầ ướng t ường l ch khỏi mặt phẳ Đặc bi trị t

ộ M y ổi r t nhỏ ướng t ườ ô ới mặt phẳng mẫu ứng vớ α = 90o

Nế ết quả ươ ườ

ì ế ảo t ươ α = 0o

ớn nh , ò ế

ảo t ươ ô α = 90o ỏ nh t

Hình 3.13: ự phụ thuộc từ độ của các mẫu D1 vào điện thế tác dụng l n

hai cực lớp áp điện P khi đo theo các g c khác nhau

 = 90 o

U(V)

D1

ươ y T ết quả chỉ ra rằng ể ứng dụ ược trong thực tế,

vi c sử dụng t ường Hbias phải nhỏ ơ ị lự HC, ì y t ường Hbias ế dù ể ảo t phả ỏ ốt

CHƯƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ PZT PHÂN CỰC NGANG

Tươ ự ẫu chế t ế PZT â ự ược lựa chọn

ể ì y ết quả ươ 4 ý u lầ ượ N1, N2, N3 N4 (ứng vớ ẫ ờ ú x lớp CoFe cố ị 10 ú , ời

g ú x lớ N F y ổ 10, 20, 40 60 ú

4.1 Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần

S ới giả nhiễu x củ ế PZT â ực ngang, ta th y mẫu N1 ỉnh nhiễu x ặ ư ú ủ ế PZT với ỉnh nhiễu x lớn nh t t 2 = 31.2o ươ ứng vớ ị ướng (110)

S ới phổ nhiễu x chuẩn (t thẻ chuẩn JCPDS #23-297 , ỉnh nhiễu

ươ ô M, M45o nhỏ ơ ươ M//

4.3 Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ

4.3.1 Sự y ổi của t ộ dướ dụng củ n thế

N ư ú ã y, n thế U dụ n cực của PZT, t ộ M của v t li u tổ hợ y ổi gầ ư yế n thế

U Sự y ổi của M ũ ư M/U dướ dụng củ n thế ối với mẫu N2 lớn nh 530  1.33, ò ối với mẫu N4 sự y ổ y nhỏ nh 470  1.20 Đ ề y ù ợp với kết quả ã ả ề

t t ở

4.3.2 Mô ì ả

Đối với h v t li u tổ hợ n t PZT/NiFe/CoFe khả n

y, ế PZT â ự ướng ứng su t sẽ nằm trong mặt phẳ , ướng [100] ứng với biến d ng 1 Mặ , lớp sắt t

N F /C F dị ướng mặt phẳng D ướ ô song song với trục ứng su t, tứ  = 0o ú ể khẳ ịnh K > 0

N ư ã ảo lu n ở phầ , ớp sắt t N F /C F số t giả dươ  > 0 ị  > 0, chứng tỏ rằng ứng su t củ ế PZT ứng su é Đ ề y ù ợp với kết quả ã ảo lu n ở ề

sự ă ộ ă n thế dụng

Hình 4.11: a) 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 ngang

4.3.3 Q ì ảo t dướ dụng củ n thế

C ú ể q y hi ượ ô của NiFe/CoFe

y ổ ị ướng t ị n thế U x ị G ị thế ảo t

y ới t ường Hbias Kết quả chỉ ra rằ ặt

mẫ ườ ì ế ảo t ũ y ổ

X ướ ế ả ă ă ườ dụng L y dụ

ối với mẫ N2, ị thế ảo U = 270, -200, -250 -300 V lầ ượt

ươ ứng vớ ường Hbias = -500, 50, 200 500 O K ường Hbias = -100 Oe hoặc Hbias = -50 O , ị U y ổ â ặc dươ ỳ t ng mẫu Kết quả y y sự c nh tranh giữ ă ượng

t ă ượ q ì ảo t , ng thờ é ể sử

dụ n thế/ ườ ể thực hi n vi y ổ ị ướng của moment t trong v t li u t Kết quả cho th y nhữ ị thế ảo r t nhỏ

U = 1 V ối với mẫu N4 t i t ường Hbias = -50 Oe, U = 15 V (mẫu N2)

U = 25 V (mẫu N3) t i t ường Hbias = -100 Oe Khả ă ể ảo

t t ị n thế nhỏ ư y ý ĩ ể ứng dụ ộ nhớ ĩ ự ư ữ ô

Hình 4.13: Giá trị U đ của các mẫu N i đo tại các từ trường khác nhau

4.4 Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ

S thị M α U = 0 V ủa mẫu N1 vớ thị M α khi U = -200, 100 V, ta th y ườ ặ , d ì ến

ổ d x ì , ị cự i, cực tiể y ổ è

-600 -400 -200 0 200 400 600

Ud

Hbias (Oe)

N1 N3 N4

theo sự biế ổi về Xé i mộ ố ị , ị t ộ của mẫu thay

ổ õ , y ộ y ổ ô ng nh ối với t t cả Dướ dụng củ ườ , ườ M α ế ổi d ườ x t

hi ự ực tiểu mới

-400 -200 0 200

Hình 4.17: Sự phụ thuộc của từ độ vào hướng của từ trường M( ) của mẫu

N1 đo tại H bias = 50 Oe trong trường hợp: a) U = -200, 0, 100 V

4.5 Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ

ă ề d y ớ C F Hì 4.18 Kết quả ươ ự trị t ường Hbias Với mẫ N1, q ì ảo t cảm ứ n

ườ ể ược khi U = -150 V ô ần t ường Hbias

-200 -100 0 100 200 -800

-600 -400 -200 0 200 400 600

Hình 4.18: Giá trị U đ của các mẫu c chiều dày lớp CoFe thay đổi

đo tại các từ trường H bias khác nhau

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT

5.1 Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ của vật liệu đa pha sắt cấu trúc micro-nano

5.1.1 Lý yết Landau về hi u ứ n t trong v t li ắ ơ pha

Cô ứ y ộ thẩ ô ặ ộ thẩm t

ò q ọng trong vi c t o ra hi u ứ n t lớn H số thế n t

Khi một v t li ắt tổ hợ ặt trong t ường xoay chiều,

dướ dụng của t ường, lớp v t li u sắt t giảo sẽ biến d ng,

d ộ ơ ọ ược truyền trong v t li y ng thờ ũ yền

Vi c tiế ứ xây dự ô ì ý yế ơ ở

ươ ì ết c u với mụ ự phụ thuộc của h số

n t ỉ phần thể ũ ư ườ dụ , q

ự ầy ủ ơ ề hi u ứ n t xảy ra trong v t li

cứu Kết quả ú ược biểu thứ số n t ường hợp

tần số th p:

31 11

11 33 11 11

11 31 11

).

1 ( )

)

1

(

(

) 1 (

d v s s v s v s

q d v s

p p

p p m p

m p p

d v s v s

v v

m m

p

m p

m p

E

tan)

1

(

)1

5.1.3 Mô ì ý yế ươ n t ô q ến d ng

T ô ì y ú ô ổng hợp t t cả dị ướng t ư dị ướng t tinh thể, dị ướng t dị ướng t bề mặt, sự y ổi của tổng dị ướng t củ Tổ ă ượng dị ướng t ượ x ịnh ư [54, 150]:

( )2

(0)

S p

Sử dụ ươ ì 5.26 ô ố v t li ã ố [67, 76], ú ô ã ượ ị

OP eff

H



ư ược chỉ ì 5.7 Đối với c ú ổ hợ PZT/N F /C F ế PZT â ực dọ , ộ d y ới

h n dcr 1.95 Độ d y yển pha dtr ối vớ ơ ế ươ n

t ơ ế ằ , ượ ướ ảng 0.2

nm

N ư ỉ ì 5.7, sự b ối xứ ả ơ u của

OP eff

H



V ượ q ối với c ú ổ hợ PZT/N F /C F X ướng thay

ổ ược nhau của

OP eff

H

(U) t thế â ế dươ ược quyế ịnh bởi sự ược d u củ εp Hơ ữa, nếu l y phần thế dươ , ứng su t t ế

PZT ứng su é ư ả ở ươ 3.2 N F /C F

h số t giả dươ ữ cho trục dễ t ằ ươ ặt phẳng Do , ự giảm của

OP eff

d ng chiế ư ế, ến sự y ổi dị ướng t cảm ứng bở n thế

5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố dị hướng lên quá trình tái định hướng spin của vật liệu đa pha sắt tổ hợp cấu trúc micro-nano

U(V)

Hình 5.8: a) Cấu trúc vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế P phân cực ngang

b) Quá trình thay đổi định hướng mômen từ 90 o trong lớp sắt từ tự do

T ì 5.8 ơ c ú t li PZT/N F /C F ế PZT â

cự dù ể Bằ ối thiể ă ượng trong

ô ứ , ể ì ượ ường giới h n (phụ thuộ 1

5.2.2 Kết quả

(5.41a)

(5.41b)