Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Điện Của Màng Mỏng Sắt Điện Không Chì BSZT

Cấu trúc perovskite lý tưởng có dạng ABX3, trong đó A và B là cation, X là anion. BSZT, thuộc họ perovskite, có khả năng tích hợp nhiều ion ở vị trí A và B, mang lại các tính chất vật lý nổi bật như hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, tính chất sắt điện, áp điện. Sự méo dạng của ô cơ sở làm thay đổi đối xứng tinh thể. Các cation dịch chuyển từ các vị trí có tính đối xứng cao sang vị trí có tính đối xứng thấp hơn gây ra trạng thái sắt điện. Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo và khảo sát tính chất điện của màng mỏng BSZT để ứng dụng trong các thiết bị điện tử.

Vật liệu sắt điện truyền thống chứa chì (PZT) gây ô nhiễm môi trường do chì có độc tính cao. Việc tìm kiếm và phát triển vật liệu thay thế không chì là cần thiết. BSZT là một vật liệu sắt điện không chì tiềm năng, thân thiện với môi trường. Nghiên cứu tính chất điện của màng mỏng BSZT mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị vi cơ điện tử (MEMS), cảm biến, và bộ nhớ điện dung. Luận văn này tập trung vào việc chế tạo màng mỏng BSZT bằng phương pháp sol-gel và khảo sát tính chất điện của chúng.

Vật liệu áp điện/sắt điện không chì thân thiện với môi trường đang được quan tâm, nhưng có nhược điểm: (i) dải nhiệt độ kết tinh hẹp; (ii) tính chất sắt/áp điện thấp; (iii) có tính ăn mòn cao do sự hiện diện của các nguyên tố kim loại kiềm dễ bay hơi. Do đó, vật liệu chế tạo thường khó đạt hợp phần chính xác. Cần các nghiên cứu sâu hơn để cải thiện tính chất điện của vật liệu sắt điện không chì.

Do các yếu tố kim loại kiềm dễ bay hơi, việc kiểm soát thành phần hóa học của màng mỏng BSZT trong quá trình chế tạo là một thách thức lớn. Sự thay đổi thành phần có thể ảnh hưởng đến cấu trúc màng mỏng và tính chất điện. Cần các phương pháp chế tạo tiên tiến để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của màng mỏng BSZT. Phân tích XPS giúp xác định thành phần gần bề mặt màng.

Kỹ thuật quay phủ sol-gel là phương pháp đơn giản, chi phí thấp để chế tạo màng mỏng BSZT. Quy trình bao gồm: tạo sol, quay phủ sol lên đế, và ủ nhiệt để kết tinh. Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được thành phần, độ dày màng, và dễ dàng tạo màng mỏng trên diện tích lớn. Luận văn này sử dụng kỹ thuật sol-gel để chế tạo màng mỏng BSZT và nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ đến tính chất điện.

Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy cấu trúc tinh thể của màng mỏng BSZT phụ thuộc vào loại đế điện cực. Màng BSZT có định hướng tinh thể ưu tiên theo mặt (h00) trên đế SRO & LNO, trong khi cho định hướng ngẫu nhiên trên đế Pt. Điều này cho thấy sự tương tác giữa màng và đế ảnh hưởng đến quá trình kết tinh. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các đế Pt, LNO, SRO đến tính chất điện của màng mỏng BSZT.

Mật độ dòng rò là một chỉ số quan trọng đánh giá độ bền điện môi của màng mỏng. Mật độ dòng rò thấp cho thấy màng có chất lượng tốt và ít khuyết tật. Kết quả nghiên cứu cho thấy màng BSZT trên đế Pt và LNO có mật độ dòng rò thấp, cho thấy màng kết tinh tốt. Cần tối ưu hóa quy trình chế tạo để giảm mật độ dòng rò và tăng độ bền điện môi của màng.

Hằng số điện môi và tổn hao điện môi là các thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất điện của vật liệu điện môi. Kết quả nghiên cứu cho thấy hằng số điện môi của màng BSZT phụ thuộc vào loại đế điện cực (SRO >LNO >  Pt). Tổn hao điện môi của màng trên điện cực SRO khá lớn. Điều này cho thấy tương tác giữa màng và đế ảnh hưởng đến tính chất điện.

Đường cong C-V cung cấp thông tin về sự phụ thuộc của điện dung vào điện áp và các hiện tượng phân cực trong vật liệu. Các giá trị hằng số điện môi được trích xuất từ đường cong C-V cho thấy sự khác biệt về tính chất điện giữa các mẫu màng mỏng BSZT trên các đế điện cực khác nhau. Phân tích kỹ lưỡng đường cong C-V giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phân cực và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện của màng.

Màng mỏng BSZT có thể được sử dụng trong các linh kiện MEMS như vi cảm biến áp suất, gia tốc, và nhiệt độ. Tính chất áp điện và điện môi cao của BSZT cho phép tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao và kích thước nhỏ. Cần nghiên cứu tối ưu hóa tính chất điện của màng mỏng để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng MEMS.

Màng mỏng BSZT có tiềm năng sử dụng trong bộ nhớ điện dung do khả năng lưu trữ điện tích tốt. Ngoài ra, BSZT cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng như thu thập năng lượng từ rung động và tạo ra các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả. Cần nghiên cứu hiệu ứng áp điện và phân cực của màng mỏng để phát triển các ứng dụng này.

Nghiên cứu đã khảo sát tính chất điện của màng mỏng BSZT trên các đế điện cực khác nhau. Kết quả cho thấy hằng số điện môi, mật độ dòng rò, và tổn hao điện môi phụ thuộc vào loại đế điện cực. Màng BSZT có mật độ dòng rò thấp trên đế Pt và LNO. Cần tối ưu hóa quy trình chế tạo để cải thiện tính chất điện và độ bền điện môi của màng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo là tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo để cải thiện độ bền điện môi và giảm mật độ dòng rò của màng mỏng BSZT. Cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ ủ, nồng độ sol, và loại đế điện cực đến tính chất điện. Ngoài ra, cần nghiên cứu hiệu ứng áp điện và phân cực của màng để phát triển các ứng dụng cụ thể.