ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ HUYỀN TRANG TÍCH HỢP TỤ ĐIỆN SẮT ĐIỆN MÀNG MỎNG PbZr0.6O3 CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP DUNG DỊCH TRÊN ĐẾ ĐƠN TINH THỂ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH Hà Nội - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là kết quả nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình. Các kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan trên. Học viên Vũ Thị Huyền Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT. ii DANH MỤC BẢNG BIỂU. iii DANH MỤC HÌNH VẼ.
viii CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN. Ứng dụng của tụ điện sắt điện trong công nghiệp điện tử .1 Ứng dụng trong sensor .2 Trong bộ nhớ FeRAM. Vật liệu điển hình sử dụng trong tụ điện sắt điện .1 Vật liệu cấu trúc peroskite kẹp lớp Bi. Họ vật liệu perovskite Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT).
Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể và đa tinh thể. Phương pháp lắng đọng laser xung (PLD) và phún xạ RF. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học. Phương pháp Sol- gel.
Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ. 23 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT. Phương pháp chế tạo điện cực dưới TiO2/Pt .1 Chế tạo lớp TiO2 .2 Chế tạo lớp Pt. Phương pháp chế tạo màng mỏng PZT.
Nguyên lý của phương pháp quay phủ (spin-coating). Dung dịch tiền tố trong quá trình quay phủ. Quy trình chế tạo màng mỏng PZT. Chế tạo tụ điện sắt điện.
Hệ phún xạ điện cực trên Pt. Cấu trúc tụ điện sắt điện .31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thiết bị khảo sát và đánh giá tụ điện sắt điện. Thiết bị nhiễu xạ tia X.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Thiết bị đo điện trễ và dòng rò .36 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Chế tạo màng mỏng Pt trên đế TiO2/SiO2/Si.
Khảo sát cấu trúc tinh thể. Khảo sát hình thái bề mặt. Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si.
Hình thái bề mặt màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si. Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. Khảo sát tính chất của tụ điện Pt/PZT/Pt trên đơn tinh thể STO(111). Cấu trúc tinh thể đế Pt/STO(111).
Hình thái bề mặt của màng mỏng Pt trên đế đơn tinh thể STO(111). Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/STO(111). Hình thái bề mặt của màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111) .5 Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN, và tập thể giảng viên những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình em thực hiện Luận văn Thạc sĩ.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Nguyễn Quang Hòa- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ThS. Đỗ Hồng Minh- Học viện Kỹ thuật Quân sự và CN. Trần Văn Dũng như những người anh trai đã luôn chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm, đo đạc, và xử lý số liệu.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh kỹ thuật viên và các em sinh viên nghiên cứu khoa học nhóm nghiên cứu của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình tại trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt quá trình làm thực nghiệm tại Khoa Vật lý - ĐHKHTN và Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô - ĐHCN. Lời sau cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, các anh chị đồng nghiệp, gia đình và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ, động viên em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu này được tài trợ từ đề tài mã số QG.08, Đại học Quốc gia Hà Nội, và đề tài mã số 103.81, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia.
Hà nội, ngày…… tháng…… năm 2015 Học viên: Vũ Thị Huyền Trang i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử BLT Bismuth Titanate Lanthanum Bi4-xLaxTi3O12 CMOS Complementary Metal-Oxide Bán dẫn ô-xit kim loại bù Semiconductor DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ chỉ đọc được lập trình có Read Only Memory thể xóa được bằng điện FeRAM Ferroelectric Random Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt Memory điện MEMS Microelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện micro MOCVD Metal Organic Chemical vapor Lắng đọng pha hơi hóa học sử Deposition dụng tiền chất kim loại- hữu cơ NEMS Nanoelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện nano NVRAM Non-Volatile Random-Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Memory không bay hơi PECVD Chemical Vapor Deposition Using Lắng đọng pha hơi hóa học sử Plasma Enhanced dụng plasma tăng cường PLD Pulsed Laser Deposition Phương pháp laser xung PZT Lead Zircronate Titanate Pb1.6O3 SBT Strotium Bismuth Tantalate SrBi2Nb2O9 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét STO Strontium Titanate SrTiO3 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ……….32 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể wurtzite của AlN được thể hiện với nguyên tử Al màu xám, và N màu lam. Các tâm tứ diện Al được xếp theo cùng 1 định hướng với nhau (song song với trục c) và 3 nguyên tử liền kề sắp xếp theo khối kim tự tháp.2: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3, ion A (đỏ) ở góc của tinh thể, io B (lam) nằm ở gần tâm của tinh thể, và ion O (trắng) nằm gần tâm các mặt của tinh thể. Theo sự phát triển của phân cực tự phát, sự biến dạng tự phát cũng được phát triển theo.3: Sự phân tích về các biến dạng cơ khác nhau ở vật liệu áp điện.4: Các cảm biến thông dụng và mô hình dẫn động trong hệ vi cơ điện tử áp điện. a) Mô hình uốn cong do e31,f (đôi khi gọi là d31) cho màng điện cực đáy và đỉnh.
Sự không đồng nhất trong cấu trúc tinh thể uốn cong khi màng áp điện thu hẹp đóng vai trò như lớp đàn hồi thụ động. b) Sự uốn cong vuông góc do sự mở rộng của cấu trúc dẫn động d33 sử dụng điện cực răng lược. Để xác định điện trường tác động vào thiết bị, lớp áp điện bên dưới nên là điện môi. Lớp rào như là ZrO2 oặc HFO2 thường được yêu cầu để cải thiện sự phản ứng giữa lead-base perovskite và Si hoặc lớp đàn hồi SiO2.
c) Chuyển động pitton do hệ số d33 vuông góc. Chú ý: PZT là Pb(Zr,Ti)O3, E là điện trường, Pr là độ phân cực tự phát.5: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM.6: Cấu trúc mạng tinh thể của Bi4-xLaxTi3O12.7: Đường cong phân tích nhiệt vi sai của Bi3.8: Cấu trúc tinh thể của Sr(BixTa1-x)2O9.9: Giản đồ pha gốm Pb(ZrxTi1-x)O3.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ Zr/Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của Pb(ZrxTi1-x)O3.11: Sự phụ thuộc độ phân cực của tinh thể sắt điện vào nhiệt độ.12: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện.16 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.13: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung.14: Nguyên lý phún xạ.15: Các sản phẩm của kỹ thuật sol-gel.16: Quá trình quay phủ.1: Máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (ảnh tại Phòng thí nghiệm Micro-nano, ĐHCN, ĐHQGHN).2: Hệ phún xạ cao áp một chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.3: Đế đơn tinh thể STO.4: Đế STO sau khi được chế tạo lớp Pt.5: Quá trình quay phủ (spin-coating).6: Sơ đồ quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm.7: Mô hình đế Pt/TiO2/SiO2/Si (a) và đế Pt/STO (b) sau khi được chế tạo màng mỏng PZT.8: Quy trình sol-gel trong phòng sạch: (a) quay-phủ mẫu, (b) sấy mẫu, (c) lò ủ nhiệt chậm.9: Phún xạ cao áp một chiều.10: Cấu trúc tụ điện sắt điện (a) Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si và (b) Pt/PZT/Pt/STO.11: Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU.14: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM.15: (a) Hình ảnh chụp khi đo phổ lực AFM, (b) Sự biến đổi của lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách.16: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower.17: Đặc trưng dòng rò của một vật liệu điện môi.18: Thiết bị đo đường cong điện trễ và dòng rò Radiant Precision LC 10. 38 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Ảnh hưởng của công suất lên cấu trúc màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si.2: So sánh chất lượng màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol JFC- 1200.3: So sánh hình thái bề mặt từ ảnh AFM của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol JFC-1200.4: Ảnh SEM cắt dọc của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO 2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200.5: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 600oC trên đế Pt thương mại.6: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT kết tinh tại 600 oC trên đế Pt sử dụng hệ phún xạ trên sử dụng hệ Jeol JFC-1200.7: Ảnh SEM màng mỏng PZT (ủ 600oC) trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200: (a) phóng đại 30,000 lần, (b) phóng đại 150,000 lần.8: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si.9: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước khi ủ điện cực Pt trên.10: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước khi ủ điện cực Pt trên.