Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG LÊ CHÂU HUY PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HÓA HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ CHÂU HUY

PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HÓA

HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ CHÂU HUY

PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HÓA

HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Võ Thanh Tùng đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu, giúp tôi thực hiện hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong khoa điện tử viễn thông trường Đại học Công Nghệ Hà Nội đã dạy dỗ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Ngoài ra tôi xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu và khoa điện trường cao đẳng nghề thừa thiên huế đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được đi học sau đại học

Cám ơn các bạn đồng nghiệp và các bạn trong lớp cao học khóa K18 đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập vừa qua

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba, mẹ và những người thân trong gia đình luôn bên tôi, giúp đỡ tinh thần cũng như vật chất để tôi thực hiện tốt luận văn này

Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng do hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả chân thành mong muốn được nhận những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô

và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Học viên Hoàng Lê Châu Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung thực nghiệm nêu trong bản luận văn này là do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo - Tiến

sỹ Võ Thanh Tùng, luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế Thời gian làm đề tài luận văn thạc sỹ từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2013

Các kết quả, số liệu thực nghiệm đều được công bố lần đầu và không trùng với bất kỳ tài liệu nào đã công bố trước đó

Người viết

Hoàng Lê Châu Huy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 7

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: 7

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu 7

3 Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiển của đề tài 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN 10

1.1 Vật liệu sắt điện có cấu trúc Perovskite 10

1.1.1 Cấu trúc của gốm dạng ABO3 [1, 2] 10

1.1.2 Phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện 12

1.2 Cấu trúc Đômen của chất sắt điện 14

1.3 Đường trễ điện môi 15

1.4 Mạch Sawyer-Tower 17

CHƯƠNG 2 HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES 21

2.1 Giới thiệu về hãng Radiant Technologies 21

2.2 Đường trễ sắt điện “toàn phần” (Full Histeresis) 23

2.3 Khảo sát đường trễ sắt điện với chương trình MODEL và ANALYSIS 23

2.3.1 Chương trình phần mềm ANALYSIS và MODEL 23

2.3.2 Khảo sát thành phần dư 25

2.3.3 Thành phần “không dư” (Non-Remenent) 25

2.3.4 Dòng rò trở kháng 26

2.3.5 Các thành phần tuyến tính và điện dung ký sinh 26

2.3.6 Đường trễ toàn phần mô phỏng và khảo sát 27

2.4 Chương trình khảo sát áp điện (phần mềm Piezoelectric) 27

2.4.1 Giới thiệu 27

2.4.2 Nguyên lý hoạt động và các tham số khảo sát 28

2.5 Mô hình tương đương và định nghĩa các tham số 32

2.5.1 Mạch tương đương 32

2.5.2 Bảng định nghĩa các thông số 33

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI DỰA TRÊN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ RT66A KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 35

3.1 Nguyên lý mạch “đất ảo” 35

3.2 Phát triển hệ đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo” 37

3.3 Ghép nối hệ đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo” 40

3.3.1 Hệ đo trên mạch “đất ảo” thử nghiệm 40

3.3.2 Hệ đo trên mạch “đất ảo” hoàn chỉnh 45

3.4 Đánh giá, so sánh các phương pháp khảo sát đường trễ 47

KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT 50

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Độ dịch chuyển của các ion trong BaTiO3 và PbTiO3 14

Bảng 2.1: Các phần mềm đo áp điện của hệ RT66A 28

Bảng 2.2: Các tính chất của vật liệu áp điện 28

Bảng 2.3: Sự liên kết giữa Cơ - Nhiệt - Điện 29

Bảng 2.4: Sự liên kết giữa Cơ - Nhiệt - Điện 29

Bảng 2.5: Bảng ma trận cặp rút gọn 30

Bảng 2.6: Các cặp số hạng không thuần nhất 30

Bảng 2.7: Các hệ số áp điện nhận được từ hệ đo RT66A 32

Bảng 2.8: Bảng định nghĩa các thông số 33

Bảng 3.1:Bảng so sánh các thông số của hai phương pháp đo 36

Bảng 3.2: Thông tin chi tiết các thiết bị sử dụng trong hệ đo 42

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: (a) Ô cơ sở perovskite lập phương, 11

Hình 1.2: (a) Tinh thể một đômen (b) đômen 1800 (c) đômen 900 15

Hình 1.3: Đường trễ điện môi trong các vật liệu sắt điện 16

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch Sawyer – Tower 18

Hình 1.5: Mạch Sawyer – Tower hoàn chỉnh 18

Hình 1.6: Hệ đo mạch Sawyer-Tower của nhóm tác giả trước đây 19

Hình 1.7: Sơ đồ phát triển dựa trên mạch Sawyer-Tower 19

Hình 1.8: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch Sawyer-Tower 19

Hình 1.9: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dưới dạng xung tam giác áp đặt lên mẫu (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận trên dao động ký số 20

Hình 2.1: Hệ đo RT66A 22

Hình 2.2: Hình ảnh tổng thể hệ đo RT66A 22

Hình: 2.3: Hình ảnh khảo sát đường trễ sắt điện 23

Hình 2.4: Đo và mô phỏng các thành phần dư 25

Hình 2.5: Các thành phần “không dư” khảo sát được và mô phỏng 26

Hình 2.6: Đo điện dung ký sinh ở điện thế thấp với thành phần đường trễ nhỏ 27 Hình 2.7: Đường trễ toàn phần mô phỏng và khảo sát được 27

Hình 2.8: Mạch tương đương đối với mẫu sắt điện 33

Hình 3.1: Nguyên lý của mạch “đất ảo” 36

Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch RT66A sử dụng chế độ đo mạch “đất ảo” 37

Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch khuếch đại chuyển đổi dòng điện thành điện áp 39

Hình 3.4: Sơ đồ mạch diod bảo vệ mạch khuếch đại 40

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch “đất ảo” 41

Hình 3.6: Mạch “đất ảo”thử nghiệm 41

Hình 3.7: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch “đất ảo” thử nghiệm 42

Hình 3.8 Kết nối cho hệ “đất ảo” thử nghiệm nhằm đánh giá tính tuyến tính và tính hệ số khuếch đại của hệ đo này 44

Hình 3.9: Kết quả trên mạch “đất ảo”thử nghiệm 44

Hình 3.10: (a, b) Đường trễ của mẫu BZT-50BCT được đo bằng phương pháp mạch “đất ảo” sử dụng mạch thử nghiệm 45

Hình 3.11: Mạch “đất ảo”hoàn chỉnh 46

Hình 3.12: kết nối cho hệ ‘’đất ảo’’ hoàn chỉnh và tín hiệu khuếch đại của hệ đo trên mạch này là khoảng 500 lần 46

Hình 3.13: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dưới dạng xung tam giác áp đặt lên mẫu (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận trên dao động ký số 47

Hình 3.14: Kết quả so sánh các phương pháp đo đường trễ: phương pháp “đất ảo” và phương pháp trên hệ RT66A 48

Hình 3.15: Kết quả đo đường trễ a) thay đổi dạng tín hiệu; b) thay đổi tần số áp đặt 48

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kỹ thuật, nhiệm vụ tìm kiếm và nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu mới đang được đặt lên hàng đầu Song song với quá trình chế tạo, việc ra đời các thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá các tính chất của vật liệu mới cũng phát triển khá mạnh Phù hợp với xu hướng phát triển chung, hiện nay phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật

lý, Trường Đại học Khoa học Huế cũng đã được trang bị các thiết bị hiện đại như máy HP-4193A, Agilent 4396B, HIOKI LCR3532…, nhằm hỗ trợ cho quá trình khảo sát, đánh giá và nghiên cứu các tính chất của vật liệu

Trong các thiết bị nhằm đánh giá tính chất vật liệu, thiết bị xác định các thông số đặc trưng cho tính sắt điện của vật liệu từ chu trình trễ điện môi rất được quan tâm Hầu hết các phương pháp đo chu trình trễ điện môi đều dựa vào nguyên lý mạch Sawyer – Tower để xác định điện tích phân cực thông qua dòng tích phân tập trung trên tụ nối tiếp với mẫu đo Ngày nay đã xuất hiện nhiều phương pháp mới, những hệ đo hiện đại [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 16] nhằm đánh giá chính xác, tối ưu hơn các dạng đường trễ của vật liệu, từ đó đưa ra các kết luận hợp lý hơn về tính chất mẫu cũng như chất lượng sản phẩm của mẫu Trong

đó hệ RT66A với các phiên bản khác nhau của hãng Radiant Technologies đã

và đang được các phòng thí nghiệm khoa học vật liệu trong nước và trên thế giới

sử dụng, trong đó, phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý cũng

đã được trang bị hệ đo này vào năm 2001 Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí nên đến nay rất khó khăn trong quá trình cập nhật vì không có mã nguồn điều khiển, không thể can thiệp sâu trong mạch điện tử của các hệ thiết bị Chính vì vậy, để chủ động và phát triển các phương pháp đo cho vật liệu, chúng tôi đã lựa chọn và triển khai đề tài: "Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện"

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu

Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển và mở rộng phép đo đường trễ sắt điện bằng phương pháp “đất ảo” dựa trên hệ đo RT66A Với các kết quả thu được, tiến hành so sánh và đánh giá các hệ đo, từ

đó chỉ ra được các ưu điểm nổi bật của các phương pháp này

Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội dung chính sau:

+ Tổng quan mạch Sawyer-Tower và mạch “đất ảo” trong nghiên cứu đường trễ sắt điện

+ Nghiên cứu, khảo sát đường trễ sắt điện với hệ RT66A của hãng Radiant Technologies

+ Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi dựa trên mạch khuếch đại thuật toán Current-to-Voltage

+ Kết nối mạch với các thiết bị hiện có, tự động hóa quá trình khảo sát đường trễ điện môi So sánh, đánh giá kết quả nhận được Hình thành các luận điểm giải thích về sự giống, khác nhau trong các kết quả đo này

+ Đề xuất, kiến nghị

3 Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiển của đề tài

Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản lý thuyết cũng như thực nghiệm trong phương pháp khảo sát đường trễ của vật liệu sắt điện, đồng thời nghiên cứu, xác định và đánh giá các thông số đặc trưng cho tính sắt điện của vật liệu thông qua hệ đo RT66A và phương pháp mạch “đất ảo” dựa trên thiết bị RT66A

Luận văn thạc sỹ hoàn thành sẽ là cơ sở lý thuyết và phát triển quy trình khảo sát đường trễ sắt điện dựa trên hệ đo RT66A sử dụng phương pháp “đất ảo” , đồng thời bước đầu định hướng phát triển, nghiên cứu và khai thác đồng bộ các thiết bị tiếp theo hiện có trong phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học

Về cấu trúc, luận văn với 3 chương chính, cụ thể là:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

Giới thiệu tổng quan các dạng mạch đo đường trễ điện môi trong nghiên cứu đường trễ sắt điện, lý thuyết về cấu trúc Đômen và đường trễ sắt điện

CHƯƠNG 2 HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES

Trình bày khái quát về nguyên lý hoạt động của hệ đo RT66A, các chức năng chính và các chương trình phần mềm cơ bản kèm theo hệ đo RT66A Trong chương này còn trình bày các thông tin thu nhận được của đường trễ sắt điện khi sử dụng hệ đo RT66A

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI DỰA TRÊN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ RT66A KẾT QUẢ, THẢO LUẬN

Chế tạo mạch đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo” sử

dụng các thiết bị của hệ RT66A Trình bày các kết quả và đưa ra các nhận xét về kết quả đạt được Ngoài ra, trong luận văn còn có kết luận và một số ý kiến nhận xét rút ra trong quá trình đo

Luận văn được thực hiện tại khoa điện tử viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ Hà Nội và Trường Đại học Khoa học Huế Thời gian thực hiện từ tháng 01/2012 đến hết 12 /2013

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI

TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

Ngày nay, song song với quá trình nghiên cứu, chế tạo vật liệu mới, nhiều

hệ đo, thiết bị mới ra đời nhằm kiểm tra, đánh giá các tính chất của vật liệu Hệ

đo đường trễ điện môi đã được tìm hiểu từ khá sớm từ hơn sáu mươi năm qua, tuy nhiên đến ngày nay vẫn còn là bài toán bõ ngõ trong việc hoàn thiện và phát triển hệ đo này Với nguyên lý ban đầu của mạch Sawyer-Tower nhưng hiện nay,

nó vẫn là mạch rất thiết thực để kiểm tra các tính chất sắt điện và nghiên cứu các hiện tượng cơ bản như sự phân cực tự phát, trường kháng và cơ chế hồi phục đảo chiều phân cực nói chung Các kết quả nhận được từ hệ đo bằng phương pháp mạch Sawyer-Tower đã cho thấy sự cải thiện chất lượng của kết quả, dữ liệu được thu nhận hoàn toàn tự động và dễ dàng xử lý bằng phần mềm tính toán Ngày nay mạch “đất ảo” được sử dụng nhiều hơn trong khảo sát, nghiên cứu các vật liệu sắt điện Thông qua mạch này, các kết quả thu nhận chính xác và đáng tin cậy hơn

1.1 Vật liệu sắt điện có cấu trúc Perovskite

1.1.1 Cấu trúc của gốm dạng ABO 3 [1, 2]

Perovskite là tên gọi của khoáng vật có cấu trúc lập phương CaTiO3 Hầu hết các loại gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hiện nay như BaTiO3 (BT), PbTiO3 (PT), PbZr1-xTixO3 (PZT), [Pb1-yLay][Zr1-xTix]O3 (PLZT), KTaxNb1-xO3

(KTN)…đều có cấu trúc Perovskite Các oxit phức này có công thức tổng quát

là ABO3, trong đó A là các cation (hóa trị 1, 2 hoặc 3) có bán kính ion lớn, B là các cation (hóa trị 5, 4 hoặc 3 tương ứng) có bán kính ion nhỏ hơn và O là oxy Các chất sắt điện có cấu trúc Perovskite đã được tìm thấy đều có công thức dạng

A2+B4+O32- hoặc A1+B5+O32-, tuy nhiên chưa phát hiện được tính sắt điện trong các hợp chất dạng A3+B3+O32-

Cấu trúc Perovskite thực chất là một mạng 3 chiều của các bát diện BO6- , tuy nhiên chúng ta cũng có thể mô tả chúng gồm những hình lập phương xếp chặt của các ion A và O, ion B nằm ở tâm bát diện

Hình 1.1 mô tả cấu trúc ABO3, ở đỉnh của ô cơ sở là các ion A, ion B nằm ở tâm

và được bao quanh bởi các ion oxy Các ion oxy nằm ở tâm các mặt tạo nên

khối bát diện oxy quanh ion B (BO6) Trên cơ sở mạng xếp chặt này ta sẽ xác định các hệ thức hình học đặc trưng cho độ bền vững của cấu trúc

Xét tam giác vuông AOC, ta có:

OA = 21/2 OC; OA = RA + RO; OC = RO + RB;

RA, RB, RO là bán kính của các ion A, B và O một cách tương ứng Để đặc trưng cho mức độ xếp chặt của cấu trúc perovskite, người ta đưa ra một thừa số t gọi là thừa số xếp chặt (hay thừa số bền vững)

t = (RA + RO) / [ 21/2.(RO + RB)]

nếu t = 1: Cấu trúc là xếp chặt lý tưởng

t > 1: Khoảng cách OB lớn hơn tổng các bán kính của các ion O và B, ion B có thể dịch chuyển bên trong khối bát diện của mình

t < 1: Khoảng cách OA sẽ lớn hơn tổng các bán kính của các ion A và O, bản thân ion A có thể di chuyển được

Phần lớn các kiểu Perovskite có cấu trúc lập phương ở pha thuận điện Đối với chúng thừa số t ở trong khoảng 0.9  1.05 và hằng số mạng a gần bằng 4

Å Ngoài ra còn có các hợp chất có cấu trúc như cấu trúc Perovskite lập phương nhưng nén mạng, do đó được gọi là cấu trúc giả đối xứng

này là t không thay đổi trong một khoảng rộng, nhưng tất cả đều gần bằng 1, và hằng số mạng nhỏ hơn 4 Å Các hợp chất có cấu trúc giả đối xứng là quý đối với

sự xuất hiện của tính chất sắt điện

Đối với PbTiO3 có t <1, điều đó cho thấy ion Ti có khả năng dịch chuyển bên trong khối bát diện oxy từ tâm khối mà nó chiếm ở pha thuận điện khi hạ nhiệt độ xuống dưới điểm Tc Sự dịch chuyển của ion Ti có thể dẫn đến không chỉ xuất hiện cấu trúc giả đối xứng mà còn cả phân cực tự phát

1.1.2 Phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện

Trong 32 lớp đối xứng tồn tại trong thế giới tinh thể, có 20 lớp không có tâm đối xứng và có tính chất áp điện Trong 20 lớp này có 10 lớp hỏa điện Bản thân sắt điện là một tinh thể có cực, tức là hỏa điện, nó là phân nhóm của 10 nhóm này nhưng có tính chất đặc biệt hơn hỏa điện là chiều phân cực có thể thay đổi Như vậy, có thể nói rằng sắt điện là các chất rắn có cấu trúc tinh thể mà khi không có điện trường ngoài vẫn tồn tại phân cực tự phát và chiều của phân cực tự phát có thể thay đổi bởi trường ngoài Một đặc tính nữa của nó là trạng thái sắt điện chỉ tồn tại dưới một nhiệt độ tới hạn Tc nào đó (nhiệt độ Curie)

Phân cực tự phát được định nghĩa như là giá trị mô men lưỡng cực điện trên một đơn vị thể tích, hoặc là giá trị của điện tích trên một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với trục của phân cực tự phát Bản thân các tính chất điện liên quan rất mạnh đến cấu trúc tinh thể, trục phân cực tự phát thường là các trục tinh thể Nhìn chung, các tinh thể có trục cực đều tồn tại hiệu ứng áp điện Độ phân cực tự phát của sắt điện được đặc trưng bởi giá trị trung bình của mômen lưỡng cực M trong thể tích V của tinh thể:

Bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron, người ta đã xác định được độ dịch chuyển của các ion trong mạng BaTiO3 sắt điện Chính sự dịch chuyển này đã làm thay đổi sự phân bố các ion trong mạng của BaTiO3, tạo ra sự nén mạng và chuyển cấu trúc từ lập phương sang tứ giác Như vậy, sự xuất hiện phân cực tự

phát trong pha sắt điện là do độ linh động lớn của Ti trong khối bát diện oxy Nếu chọn gốc tọa độ là ion OII (hình 1.1a) thì độ dịch chuyển của ion Ba2+, Ti4+

và OI2- theo phương trục c một đoạn +0.06Å, +0.12 Å và -0.03 Å tương ứng Trong PbTiO3, sự dịch chuyển của Pb2+ và Ti4+ dọc theo trục c một đoạn +0.47

Å và +0.30 Å tương ứng

Về mặt nghiên cứu cơ bản hiện nay có 2 vấn đề được tập trung nghiên cứu:

Thứ nhất là vấn đề về bản chất phân cực tự phát trong các hệ vật liệu có cấu trúc Perovskite Tại sao PbTiO3 và BaTiO3 có cùng kiểu cấu trúc, song phân cực tự phát của PbTiO3 lại lớn hơn BaTiO3

Các nghiên cứu cơ bản hiện nay vẫn tập trung vào việc tìm hiểu bản chất của tính sắt điện của chúng Trong nhiều năm, phần lớn thừa nhận rằng các vật liệu sắt điện được phân thành 2 nhóm hoặc là BaTiO3 hoặc là SrTiO3 Tuy nhiên cũng có ý kiến khi nghiên cứu hệ BaTiO3 -PbTiO3 cho rằng vai trò của ion

A trong cấu trúc Perovskite (ABO3) có bán kính ion không tương xứng nhau Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng có một sự thực là đặc tính cộng hoá trị không hoàn toàn của liên kết Pb-O là cơ sở làm cho sự khác nhau giữa các vật liệu này Các tác giả bằng phương pháp EPR để nghiên cứu sự dịch chuyển của ion Pb trong Pb(Zr,Ti)O3 Kết quả cho thấy tính sắt điện của PZT liên quan đến mức độ liên kết giữa trạng thái 6s của Pb và trạng thái 2p của oxy Nếu như trạng thái liên kết này mang tính cộng hoá trị thì ngược lại với các loại vật liệu như BaTiO3 lại có liên kết hoàn toàn ion

Theo mô hình thường được sử dụng nhất hiện nay, thì tính sắt điện trong các vật liệu có cấu trúc Perovskite là do sự dịch chuyển của ion B so với vị trí của các ion oxy nằm ở đỉnh và mặt trong mạng bát diện oxy, khi đó t  1 Theo

mô hình đó điện trường định xứ tại ví trí B là lớn nhất và vì vậy khi độ dịch chuyển của B càng tăng thì mô men phân cực tự phát trong hệ là lớn

Nhìn chung, lý thuyết cổ điển về hệ số bền vững không giải thích được một cách thoả đáng tính sắt điện trong các Perovskite chứa Pb Ví dụ, trong các vật liệu SrTiO3 - BaTiO3 - PbTiO3, SrTiO3 không phải là sắt điện ở nhiệt độ phòng; BaTiO3 là sắt điện và PbTiO3 cũng là sắt điện song mạnh hơn rất nhiều lần so với BaTiO3

Phân cực tự phát của BaTiO3 là 28C/cm2 còn của PbTiO3 là 57C/cm2 Trong khi đó bán kính ion của Sr+2 là 1.37A0, Pb+2 là 1.40A0 và Ba+2 là 1.52A0 Hơn nữa, khi so sánh các hệ Ba(Zr,Ti)O3 và Pb(Zr,Ti)O3 chúng ta cũng thấy

được vai trò của ion A đối với tính sắt điện của hệ Ba(Zr,Ti)O3 có tính sắt điện chủ yếu tại thành phần chứa 22%molZr, trong khi đó, PZT lại có tính sắt điện đến thành phần chứa 95%molZr Mặt khác, độ dịch chuyển của ion Ti lớn hơn hai lần so với độ dịch chuyển của ion Ba trong BaTiO3 , còn ion Pb dịch chuyển lớn hơn ion Ti trong PbTiO3

Bảng 1.1 Độ dịch chuyển của các ion trong BaTiO 3 và PbTiO 3

1.2 Cấu trúc Đômen của chất sắt điện

Phân cực tự phát trong một chất sắt điện hoặc trong một hạt của gốm sắt điện thường được sắp xếp không đồng đều trong toàn tinh thể Ví dụ: PbTiO3 là một tinh thể Perovskite có sự biến đổi từ pha lập phương không sắt điện sang pha tứ giác sắt điện tại 4900C Phân cực tự phát trong PbTiO3 nằm dọc theo trục

CT của ô mạng tứ giác và sự biến dạng tinh thể thường xảy ra do sự dịch chuyển của các ion O2- và Ti4+ đối với Pb2+ Trong pha sắt điện, tinh thể bị biến dạng tự phát với aT ≤ aC ≤ cT, trong đó aT và aC là các trục a của ô mạng tứ giác và lập phương Sáu hướng (bao gồm cả dương và âm) dọc theo 3 trục aC của ô lập phương là tương đương nhau và phân cực tự phát có thể xuất hiện dọc theo bất

kỳ hướng nào với xác suất bằng nhau khi tinh thể được làm nguội xuống dưới nhiệt độ Curie TC Hướng mà dọc theo đó phân cực tự phát phát triển sẽ phụ thuộc vào các điều kiện biên về điện và cơ tác dụng lên mẫu

Thông thường sự định hướng song song đều đặng của các lưỡng cực điện chỉ xảy ra trong một vùng xác định của tinh thể, trong khi các vùng khác của tinh thể các véctơ phân cực tự phát có thể hướng theo chiều ngược lại Những vùng có sự phân cực đều đặng như vậy được gọi là các đômen sắt điện Mặt phân chia giữa hai đômen gọi là vách đômen Khi tinh thể sắt điện nằm ở pha thuận điện, lúc này nó là một điện môi tuyến tính Nếu hạ nhiệt độ của tinh thể xuống dưới nhiệt độ TC thì trong tinh thể bắt đầu hình thành các đômen Như vậy nhiệt độ Curie TC là ranh giới giữa cấu trúc đômen và phá hủy đômen, tại đây cấu trúc đômen bất ổn định Các tính chất của điện môi sẽ thay đổi đột ngột khi vượt qua ranh giới này [1, 2, 10, 11]

Giả sử tinh thể chỉ có một đômen (hình 1.2a), do có phân cực tự phát PS

nên xuất hiện các điện tích cảm ứng trái dấu trên bề mặt tinh thể làm tạo ra một

điện trường khử phân cực Ek dẫn đến làm tăng năng lượng của hệ: hệ sẽ không

bền vững Khi hạ nhiệt độ của tinh thể xuống dưới nhiệt độ TC, nếu không có

trường ngoài, sự phân cực tự phát trong toàn bộ tinh thể không còn là đồng nhất

Do năng lượng (thế nhiệt động) là một hàm chẳn của độ phân cực (tỷ lệ với 2

S

P ) nên ở pha sắt điện, giá trị tuyệt đối của nó không phụ thuộc vào chiều của véctơ

PS Đối với tinh thể đơn trục, trạng thái của độ phân cực +PS và –PS là bền vững

như nhau Điều này dẫn đến khả năng phân chia tinh thể thành nhiều đômen có

véctơ phân cực tự phát định hướng khác nhau

Như vậy, nguyên nhân tạo thành cấu trúc đômen là thuần tuý về năng

lượng Việc phân chia thành các đômen nói chung là thuận lợi về năng lượng vì

khi đố điện trường và điện năng liên kết với nó giảm một cách đáng kể

Với tinh thể đơn trục, chỉ có thể tồn tại loại đômen có véctơ phân cực tự

phát khác nhau 1800 (PS1 ↑↓ PS2) và được gọi là đômen 1800 (hình 1.2 b)

Trong tinh thể sắt điện đa trục, sự phân cực tự phát có thể theo một vài

hướng tương đương, vì vậy trong chúng có thể tồn tại các đômen có véctơ phân

cực tự phát thẳng góc nhau (PS1  PS2) và gọi là đômen 900 (hình 1.2c)

Các đômen được tạo ra trong một tinh thể sắt điện phụ thuộc vào tính đối

xứng của cả hai pha không sắt điện và sắt điện của tinh thể Trong pha mặt thoi

Titanate ziconat chì Pb(Zr,Ti)O3, phương của phân cực phát triển dọc theo các

đường chéo khối (phương [111]) của ô mạng lập phương thuận điện Điều này

làm cho phân cực tự phát có thể xảy ra theo 8 hướng với các đômen 1800, 710 và

1090

1.3 Đường trễ điện môi

Một trong những tính chất quang trọng của các vật liệu sắt điện là khả

năng dịch chuyển của các véctơ phân cực dưới tác dụng của điện trường ngoài

Hệ quả của sự dịch chuyển các vách đômen trong các vật liệu sắt điện là việc tạo

Hình 1.2: (a) Tinh thể một đômen (b) đômen 180 0 (c) đômen 90 0

(a) (b) (c)

thành đường trể điện môi, trong đó độ phân cực P là một hàm phi tuyến của điện trường E áp đặt dọc theo trục sắt điện

Trên hình 1.3 là dạng đường trể điện môi của một tinh thể sắt điện nhiều đômen Khi không có điện trường ngoài E, phân cực tự phát của sắt điện sẽ bằng không (do sự bù trừ có dấu khác nhau) Nếu áp đặt điện trường ngoài E theo một hướng nào đó của trục sắt điện, khi E nhỏ, do hiện tượng phân cực cảm ứng, P tăng tuyến tính theo E như điện môi bình thường (đoạn OA)

Tiếp tục tăng E sẽ xuất hiện hiện tượng tái phân cực các đômen tức là xuất hiện phân cực lưỡng cực (các vách đômen lưỡng cực dịch chuyển theo chiều của E) và ngày càng có nhiều đômen tham gia vào quá trình tái phân cực, khi đó sự phụ thuộc của phân cực vào E sẽ phi tuyến (đoạn AB) Tại một giá trị

E nào đó, tất cả các đômen sẽ tái phân cực theo hướng của điện trường và đạt bảo hoà (đoạn BC) Lúc này nếu gia tăng cường độ điện trường hơn nữa thì chỉ

có một lượng không lớn phân cực điện tử và phân cực ion xuất hiện Đường tiếp tuyến với đường cong cắt trục P tại F biểu diễn cho giá trị phân cực tự phát PS,

có nghĩa là toàn bộ đômen đều định hướng theo chiều điện trường Sở dĩ như vậy vì phân cực điện tử và ion sẽ biến mất khi điện trường bằng không Nếu giảm E đến không, đường cong P(E) không trùng với đường cong ban đầu do các mômen lưỡng cực không quay lại hết về vị trí ban đầu, do đó tồn tại phân cực dư Pr (điểm D) Sở dĩ sự phân cực của đômen không biến mất ngay tức khắc

vì do sự tương tác mạnh giữa các đômen lân cận có xu hướng giữ chúng định hướng song song nhau Tuy nhiên độ phân cực sẽ giảm dần theo thời gian Để giảm giá trị P (< Pr) ta đặt một điện trường theo chiều ngược lại và tăng dần

Hình 1.3: Đường trễ điện môi trong các vật liệu sắt điện

-17-

nhằm quay tiếp các mômen lưỡng cực Nếu thay đổi dấu và tăng cường độ điện trường E, tại một giá trị tới hạn của điện trường gọi là trường điện kháng EC thì đường cong thế năng sẽ bị thay đổi thành đối xứng, các cation B sẽ dịch chuyển sang vị trí cân bằng mới cách các tâm của ô cơ sở một đoạn  , các hướng của mômen lưỡng cực tự phát cũng bị thay đổi và xuất hiện quá trình phân cực lại Khi tiếp tục tăng E rồi lại giảm E về không, độ lớn của phân cực tự phát không

bị thay đổi: PS= -PS  Nếu đảo dấu E một lần nữa và đạt đến giá trị trường điện kháng EC , một lần nữa lại xuất hiện sự phân cực lại Như vậy ta thu được một đường cong kín CDGHC biểu diễn mối liên hệ của phân cực với cường độ điện trường ngoài: chu trình trể điện môi Từ chu trình trể điện môi ta có thể xác định được phân cực bão hoà PS, phân cực dư Pr và điện trường kháng EC

Việc tồn tại cấu trúc đômen chính là cội nguồn của tính phi tuyến và đường trễ điện môi [1, 20] Có thể nói rằng đường trễ là một trong những biểu hiện rõ rệt nhất của tính chất sắt điện Khảo sát về đường trễ sắt điện sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo

1.4 Mạch Sawyer-Tower

Mạch đo Sawyer-Tower (hình 1.4) là mạch cơ bản dựa trên phương pháp

đo điện tích áp đặt trên tụ tham chiếu được mắt nối tiếp với mẫu Điện thế sụt áp trên tụ tham chiếu là tỷ lệ thuận với độ phân cực được xác định bởi V=Q/C Tuy nhiên, nếu điện áp trên tụ tham chiếu tăng, điện áp trên mẫu giảm vì thế tụ tham chiếu được lựa chọn phải lớn hơn nhiều so với mẫu Nếu tụ tham chiếu lớn hơn 100 lần thì điện thế sụt áp là khoản 1% Điều này có nghĩa rằng tụ tham chiếu là phù hợp với mỗi mẫu khác nhau Phương pháp mạch Sawyer-Tower có thể được sử dụng đo với tốc độ cao nhưng chủ yếu bị hạn chế bởi sự phản xạ của dây dẫn, như hiệu ứng ký sinh, dung kháng giữa dây dẫn với mẫu, trở kháng giữa bộ khuếch đại ghi nhận tín hiệu và tụ tham chiếu (mắc song song với nhau)

Điển hình dây dẫn có giá trị dung kháng từ 33pF đến 100pF trên một mét, đối với các tụ nhỏ tổng điện dung đo được tăng cao trên giá trị điện dung của vật liệu áo điện Hơn nữa, nó là vấn đề khó khăn để có được tụ tham chiếu chính xác với kiểu tụ có dung sai vài phần trăm

Mặt khác, trở kháng ngõ vào của thiết bị đo điện áp là mắc song song với

tụ tham chiếu và phóng điện liên tục, vì thế mạch Sawyer-Tower không phù hợp cho việc đo chậm

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch Sawyer – Tower

Hình 1.5: Mạch Sawyer – Tower hoàn chỉnh

Đường trễ sắt điện được quan sát bằng phương pháp mạch Sawyer–Tower Điện trường ngoài V áp đặt lên mẫu sắt điện Cx được phân áp bằng 2 điện trở và được đưa vào trục X của dao động ký Một tụ điện tuyến tính C0

được mắc nối tiếp với Cx (C0 >> Cx) Thế rơi trên C0 tỷ lệ với độ phân cực của mẫu Cx, được đưa vào trục Y của dao động ký Hình 1.5 trình bày mạch Sawyer–Tower đã được thiết kế lại và đang được sử dụng để mở rộng hệ khảo sát đường trễ sắt điện Mạch lắp ráp khá đơn giản nhưng mang lại kết quả đo khá chính xác Bên cạnh đó chúng ta có thể chủ động thay đổi giá trị các thành phần linh kiện điện tử để có được kết quả đo tốt hơn Điều này đã giúp cho việc khảo sát và nghiên cứu các mẫu gốm sắt điện một cách thuận lợi và dễ dàng

Tuy nhiên, hiện nay tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn đang sử dụng mạch Sawyer – Tower với nguyên lý thay đổi tín hiệu nhận vào Nhóm tác giả trước đây đã thay thế hai trở đầu vào bằng hai tụ (hình ảnh hệ đo ở hình 1.6)

Hình 1.6: Hệ đo mạch Sawyer-Tower của nhóm tác giả trước đây

Hình 1.7: Sơ đồ phát triển dựa trên mạch Sawyer-Tower

Hình 1.8: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch Sawyer-Tower

Dựa trên nguyên lý của mạch Sawyer-Tower, nhóm tác giả (thạc sĩ Tôn Thất Dũng) kết hợp với các thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm nhằm mở rộng các phương án đo (Hình 1.7) Nhóm tác giả này đã kết nối mạch tích hợp với máy phát tần số đa chức năng và dao động ký số TDS1000B để đọc và thu

dữ liệu Ngoài ra họ cũng đã ghép nối mạch Sawyer-Tower với máy phát đa tần

số DFG-9020-20MHz phát tín hiệu AC với biên độ, tần số, và dạng sóng có thể

thay đổi được một cách tự động, bộ khuếch đại cao thế Trek6900 ( khuếch đại trong khoảng -4000 đến 4000 Vpp) và máy dao động ký số TDS1000B để khảo sát các mẫu gốm sắt điện có chiều dày lớn (từ 0.5 – 1mm) (Hình 1.8)

và kiểm tra tính chất của vật liệu sắt điện Việc điều biến bởi các mẫu sắt điện đặc biệt rõ ràng khi sử dụng máy phát đa chức năng phát tín hiệu có dạng sóng tam giác

CHƯƠNG 2 HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA

HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES

2.1 Giới thiệu về hãng Radiant Technologies

Trong 21 năm qua, hãng Radiant Technologies, Inc đã hình thành các tiêu chuẩn thống nhất trên toàn thế giới nhằm đánh giá các tính chất của các loại vật liệu sắt điện Radiant tiếp tục bán ra thị trường các thiết bị đo tối tân nhất để kiểm tra các tính chất của vật liệu sắt điện và các ứng dụng của nó, trong đó có gốm sắt điện Radiant đã chế tạo riêng thiết bị để kiểm tra tính sắt điện của vật liệu và nay đã tích hợp các mạch có các chức năng khác nhau vào trong cùng một thiết bị, vì thế làm giảm được chi phí đầu tư đồng thời tăng đáng kể chất lượng và chức năng đo

Mấu chốt trong chiến lược này là phát triển sản xuất các thiết bị tích hợp sắt điện đã được phát triển hơn một thập kỹ qua và hổ trợ phát triển sản phẩm cũng như bán hàng Ngày nay, chỉ có hãng Radiant là có khả năng tích hợp thiết

bị sắt điện và được sản suất tại Mỹ Trong tương lai, Radiant sẽ cung cấp các sản phẩm cá nhân dùng trong gia đình

Công nghệ sắt điện tiên tiến của Radiant dựa trên 3 yếu tố : 1) Quá trình sản xuất tích hợp chất sắt điện độc đáo của Radiant, 2) Vị trí hàng đầu trong việc sản xuất các thiết bị đo sắt điện trên toàn thế giới, 3) Sở hữu độc quyền thiết bị

đo sắt điện trong ngành Vật lý Thiết bị kiểm tra và quy trình tinh chế của Radiant thực tế và thiết thực Ngược lại, quy trình màn mỏng áp điện của Radiant là tiên tiến nhất thế giới từ việc sử dụng phù hợp các thiết bị kiểm tra của Radiant để kiểm tra tính chất màn mỏng áp điện với độ tin cậy cao Việc thử nghiệm và quy trình thiết kế xung quanh mô hình vật lý mạnh mẽ của vật liệu sắt điện, mô hình đó đã được thử nghiệm và chứng minh liên tục với các thử nghiệm trong quá trình chế tạo [9, 12, 13, 14]

RT66A hiện có tại Khoa Vật lý- Trường Đại học Khoa học (hình 2.1) là một thiết bị của hãng Radiant Hệ đo khảo sát các tính chất của màng mỏng sắt điện phi tuyến cũng như các vật liệu gốm sắt điện RT66A được ghép nối với máy vi tính trên cơ sở giao tiếp DT2811-PGH, nó bao gồm lối vào số (I/O) và các bộ chuyển đổi ADC và DAC Trong RT66A, ngoài kiểu đo sử dụng phương pháp Saywer – Tower thông thường, nó còn có chế độ đo “đất ảo” (hình 2.2) Ngoài các ưu điểm trên, RT66A còn có một hệ thống các chương trình phần

mềm khác như Charge, Retain, Resist, Fatigue, Manual, Piezo, Analysis, Aging nên rất thuận lợi cho các nghiên cứu các tính chất của vật liệu sắt điện

Hình 2.1: Hệ đo RT66A

Hình 2.2: Hình ảnh tổng thể hệ đo RT66A

Về mặt lý thuyết, các chương trình đo được sử dụng trong RT66A có thể khảo sát các thành phần riêng lẽ của đường trễ sắt điện và làm khớp các thành phần này Để nhận được các thành phần này, phải biểu diễn các phép đo dưới dạng mỗi phép đo bao gồm sự kết hợp của các thành phần khác nhau Sau đó, phân tích so sánh các phép đo này sẽ mô phỏng lại các thành phần Với năm thành phần kết hợp trong một mô hình, tối thiểu 5 phép đo phải được thực hiện

để thu nhận chính xác các thành phần này (giống như nguyên lý giải phương trình đại số với 5 biến đòi hỏi phải có 5 phương trình độc lập) Các thành phần của nó có thể đo một cách trực tiếp là:

1 Đường trễ phân cực dư

2 Đường trễ ký sinh

3 Đường trễ dung kháng tuyến tính

4 Đường trễ trở kháng rò

Đường trễ toàn phần phân cực “không dư” (non-remanent hysteresis) không thể đo một cách trực tiếp Kết quả là khi đã đo được một đường trễ toàn phần, nó sẽ cho 5 tập tin dữ liệu độc lập và 4 thành phần khác được đo trực tiếp

sẽ được trừ đi từ đường trễ toàn phần Các mục tiếp theo sẽ mô tả chi tiết các bước khảo sát các thành phần và các giả thiết cho quá trình này trên thiết bị RT66A

2.2 Đường trễ sắt điện “toàn phần” (Full Histeresis)

Đường trễ “toàn phần” được xây dựng từ hai phép đo đường trễ đối xứng Nửa thứ hai của đường trễ được cắt ra từ số liệu tương ứng của chúng và một mảng số liệu mới được tạo ra từ hai nữa đường cong Một nữa đầu tiên của phép

đo đường trễ được loại bỏ để khử hiệu ứng lúc mới bật máy (‘turn on’) Do đó đường trễ toàn phần hiển thị trên màn hình thực sự là hai nửa của hai phép đo riêng biệt nối với nhau Đường trễ toàn phần được giả định là chứa tất cả năm thành phần của đường trễ

Hình: 2.3: Hình ảnh khảo sát đường trễ sắt điện

Sự kết hợp đồ thị của hai kiểu đo đường trễ được thực hiện bởi chương trình ‘Charge’ với các chiều đối xứng được trình bày trong hình 2.3 Cần chú ý đến hiệu ứng ‘turn on’ của hai phép đo đường trễ tại điểm đầu nhưng trạng thái biểu kiến của các đường trễ kết hợp khi thành phần thứ hai của mỗi đường trễ được khảo sát

2.3 Khảo sát đường trễ sắt điện với chương trình MODEL và ANALYSIS

2.3.1 Chương trình phần mềm ANALYSIS và MODEL

Trong phần này so sánh hai chương trình đo “MODEL” và

“ANALYSIS” Có thể tiên đoán được rằng các giá trị thu nhận được của hai chương trình này không chính xác hoàn toàn như giá trị thực của chúng Phần

này so sánh các thành phần được đo từ mẫu sắt điện thực với thành phần được

mô phỏng với các giá trị tương ứng cố định của chương trình ANALYSIS Nó

sẽ mô tả sự khác biệt khi thực hiện sự mô phỏng của hai chương trình này

Tại điểm cuối của mỗi chu trình, ANALYSIS thực hiện một mô phỏng tương đương tương tự như sự mô phỏng thường được sử dụng trong MODEL.EXE với các tham số nhận được trong chu kỳ đó Đường trễ mô phỏng được hiển thị trên màn hình dọc theo với đường trễ nguyên bản (gốc) Chương trình ANALYSIS không có các điều kiện thuận lợi để thay đổi các thông số nhận được, thực hiện mô phỏng các thành phần riêng lẽ, hoặc thực hiện mô phỏng đầy đủ một cách độc lập của một chu kỳ nhận được

Có 8 tập tin dữ liệu và một tập tin thông số được lưu trữ bằng ANALYSIS

có thể đọc bởi chương trình MODEL Với chương trình MODEL các thành phần riêng lẽ có thể được gọi lại, hiển thị, và được thực hiện mô phỏng sử dụng các thông số cố định của chúng Khi so sánh giữa mô hình và phép đo thực, nhiều thông tin bên trong của mẫu sắt điện trong mô hình không phù hợp của nó Có thể nói chương trình ANALYSIS.EXE và MODEL.EXE cho kết quả khá phù hợp Tuy nhiên, vẫn có một vài sự khác nhau giữa ANALYSIS và MODEL, do

đó là người sử dụng phải hiểu khi thiết lập lệnh, hiển thị các tập tin dữ liệu và thực hiện mô phỏng

Một điểm khác biệt nữa giữa MODEL và ANALYSIS là việc sử lý tương ứng của hai chương trình trong việc mô phỏng phân cực “không dư” (non-remanent) Chương trình ANALYSIS mô phỏng đường trễ “không dư” (non-remanent) như thể nó là một phần của đường trễ liên tục vì đây là cách hiển thị đường trễ đầy đủ trong chương trình ANALYSIS Thành phần đường trễ “không dư” trong chương trình ANALYSIS là một hàm liên tục chứ không rời rạc, bởi

nó là một tụ sắt điện được điều khiển một cách liên tục bằng một máy phát chức năng

Trong MODEL, thành phần “không dư” được thừa nhận là bị rời rạc hoàn toàn về zero trước khi tiến hành đo đường trễ, sinh ra đường trễ không liên tục

“không dư” Do đó chu trình đầu tiên của đường trễ trong MODEL sẽ có một kẽ

hở trong nó được gây ra bởi sự phân rã của phân cực “không dư” khi quay lại điểm không

2.3.2 Khảo sát thành phần dư

Mô hình cho các thành phần đường trễ dư giả định rằng sự chuyển đổi của đường trễ dư có sự phân bố bình thường và vì thế đối xứng về mặt điện trường kháng Việc khảo sát độ phân cực dư chỉ ra rằng thành phần dư thực tế là không đối xứng qua điện trường kháng Từ đó, hệ đo đã không có khả năng để cố định chính xác tính đối xứng, trong khi chương trình ANALYSIS cố định phần nữa đầu của đường cong chuyển đổi còn lại Điều này có nghĩa rằng tại đó sẽ có sự khác biệt trong việc mô phỏng và thành phần được đo trong diện tích đó Điều này được thể hiện trong hình 2.4 dưới đây

Hình 2.4: Đo và mô phỏng các thành phần dư

Chú ý rằng các thành phần dư đo được có “đuôi” trong phân bố của chúng, làm cho nó tăng lên với tỷ lệ thấp hơn tại điện thế cao hơn so với mô phỏng Điều này tạo ra khoảng hở giữa hai đường trễ, được biểu hiện bằng các vùng hở Nguyên nhân của hiệu ứng này chưa được biết đến và hiện nay vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu và đưa ra các lý thuyết để giải thích cho hiện tượng này

2.3.3 Thành phần “không dư” (Non-Remenent)

Thành phần “không dư” nhận được trong chương trình ANALYSIS là phần còn lại của đường trễ toàn phần sau khi tất cả các thành phần đo khác được trừ ra Sai số có thể xuất hiện trong phần điều chỉnh với các tham số “không dư” nếu các thành phần ký sinh khác tồn tại trong phần còn lại bên cạnh thành phần

“không dư” Nó chỉ ra rằng có ít nhất một thành phần khác tồn tại trong phần còn lại: một dòng phân cực ngược chiều kết hợp với phần trở lại diode, có thể từ hiệu ứng tiếp xúc Hiệu ứng diode không tuân theo sự phân bố điện tích dịch