## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ vật liệu điện tử, vật liệu sắt điện không chì ngày càng được quan tâm do tính thân thiện với môi trường và sức khỏe con người. Theo ước tính, hơn 60% khối lượng vật liệu áp điện truyền thống chứa chì, gây ra nhiều vấn đề về ô nhiễm và độc hại. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất điện của màng mỏng sắt điện không chì BSZT (Ba0.9Sr0.1(Zr0.1Ti0.9)O3) trên nền barium titanate, nhằm thay thế vật liệu chứa chì truyền thống. Màng mỏng BSZT được chế tạo bằng kỹ thuật quay phủ sol-gel trên các đế điện cực Pt, LaNiO3 (LNO) và SrRuO3 (SRO), với nhiệt độ kết tinh từ 600 đến 750°C. Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu quy trình công nghệ để đạt được màng mỏng có cấu trúc tinh thể ổn định, vi cấu trúc đồng nhất và tính chất điện tốt, phục vụ ứng dụng trong lĩnh vực tích trữ năng lượng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2018-2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu áp điện thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các linh kiện điện tử hiện đại.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

- **Cấu trúc perovskite ABO3**: Đây là cấu trúc cơ bản của vật liệu sắt điện, trong đó ion A và B chiếm các vị trí khác nhau trong mạng tinh thể, ảnh hưởng đến tính chất điện và cơ học của vật liệu. Thừa số bền vững Goldschmidt được sử dụng để đánh giá sự biến dạng cấu trúc.

- **Tính chất sắt điện và sắt điện relaxor**: Sắt điện relaxor có đặc trưng là sự tồn tại của các vùng phân cực nano (PNRs) với tính dị thường về điện môi và chuyển pha nhòe, được mô tả bằng định luật Curie-Weiss mở rộng và định luật Vogel-Fulcher.

- **Biên pha hình thái học (MPB) và chuyển pha đa hình (PPT)**: MPB là vùng chuyển tiếp giữa các pha tinh thể khác nhau, nơi các tính chất điện môi và áp điện đạt cực đại. PPT mô tả sự chuyển pha phụ thuộc nhiệt độ giữa các pha sắt điện.

- **Mô hình Gibbs năng lượng tự do**: Giúp giải thích quá trình chuyển pha và sự phân cực trong vật liệu dưới tác động của điện trường ngoài.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu**: Màng mỏng BSZT được chế tạo từ các tiền chất hóa học như barium acetate, strontium acetate, zirconium n-propoxide và titanium isopropoxide, sử dụng phương pháp sol-gel.

- **Phương pháp phân tích**: 

  - Cấu trúc tinh thể được khảo sát bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) với máy Bruker D8 Discover và phổ nhiễu xạ Synchrotron (SXRD).

  - Vi cấu trúc và hình thái bề mặt được quan sát bằng hiển vi điện tử quét (FE-SEM).

  - Thành phần hóa học bề mặt và sâu bên trong màng được phân tích bằng phổ quang điện tử tia X (XPS).

  - Tính chất điện được đo bằng hệ thống Keithley SCS-4200, bao gồm điện dung, dòng rò và hằng số điện môi trong dải tần 1 kHz đến 5 MHz.

- **Timeline nghiên cứu**: Quá trình chế tạo và khảo sát diễn ra trong khoảng thời gian 2018-2020, với các bước chính gồm tổng hợp sol, quay phủ màng, xử lý nhiệt, chế tạo điện cực và đo đạc tính chất.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- Màng mỏng BSZT có cấu trúc tinh thể tứ giác đa tinh thể, kết tinh tốt ở nhiệt độ 650°C trong 30 phút, với định hướng tinh thể ưu tiên theo mặt (h00) trên đế SRO và LNO, trong khi trên đế Pt là ngẫu nhiên.

- Chiều dày màng khoảng 235 nm sau khi quay phủ 8 lớp, bề mặt nhẵn, phẳng, không có hiện tượng nứt gãy.

- Phổ XPS xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố Ba, Sr, Zr, Ti và O gần bề mặt màng, đảm bảo thành phần hóa học ổn định.

- Mật độ dòng rò trên đế Pt và LNO rất thấp, khoảng 1.83 × 10^-10 A/cm^2, cho thấy màng có chất lượng kết tinh tốt và độ bền điện cao.

- Hằng số điện môi (ε) đo được trên ba loại điện cực có thứ tự ε_SRO > ε_LNO > ε_Pt, với giá trị lần lượt là 559, 373 và 215 tại điện trường E=0.

- Tổn hao điện môi (tanδ) trên điện cực SRO cao hơn khoảng 0.68 lần so với Pt và gấp 6.85 lần so với LNO, ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt về định hướng tinh thể và tính chất điện giữa các đế điện cực liên quan đến sự tương tác bề mặt và khả năng kết tinh của màng BSZT. Đế SRO và LNO hỗ trợ định hướng tinh thể ưu tiên, giúp tăng hằng số điện môi nhưng cũng làm tăng tổn hao điện môi do sự không đồng nhất trong cấu trúc vi mô. Màng trên đế Pt có định hướng ngẫu nhiên nhưng tổn hao điện môi thấp hơn, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền điện cao. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy màng BSZT có tính chất điện tương đương hoặc vượt trội so với các vật liệu sắt điện không chì khác, đồng thời khẳng định hiệu quả của phương pháp sol-gel trong việc chế tạo màng mỏng chất lượng cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ C-V và J-E để minh họa sự phụ thuộc của điện dung và dòng rò theo điện trường và tần số.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tối ưu hóa nhiệt độ kết tinh**: Điều chỉnh nhiệt độ ủ trong khoảng 650-700°C để cân bằng giữa kết tinh tốt và giảm tổn hao điện môi, nhằm nâng cao hiệu suất điện môi trong vòng 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu thực hiện.

- **Phát triển đế điện cực mới**: Nghiên cứu và thử nghiệm các vật liệu đế điện cực có khả năng hỗ trợ định hướng tinh thể tốt nhưng giảm tổn hao điện môi, nhằm cải thiện tính ổn định điện trong 1 năm, phối hợp với các phòng thí nghiệm vật liệu.

- **Mở rộng ứng dụng màng BSZT**: Áp dụng màng mỏng BSZT trong các linh kiện tích trữ năng lượng và cảm biến MEMS, đánh giá hiệu quả thực tế tại một số địa phương trong 2 năm tới, phối hợp với các doanh nghiệp công nghệ.

- **Nâng cao quy trình sol-gel**: Cải tiến công thức sol và quy trình quay phủ để giảm nứt gãy và tăng độ đồng nhất của màng, hướng tới sản xuất quy mô lớn trong 18 tháng, do nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp thực hiện.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu vật liệu điện tử**: Có thể áp dụng phương pháp chế tạo và phân tích tính chất màng mỏng BSZT để phát triển vật liệu mới thân thiện môi trường.

- **Kỹ sư phát triển linh kiện MEMS**: Tham khảo để tích hợp màng sắt điện không chì vào các thiết bị cảm biến và vi cơ điện tử, nâng cao hiệu suất và độ bền.

- **Doanh nghiệp sản xuất vật liệu điện tử**: Áp dụng quy trình sol-gel và công nghệ chế tạo màng mỏng để sản xuất vật liệu áp điện không chì thay thế PZT truyền thống.

- **Sinh viên và học giả ngành khoa học vật liệu**: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về vật liệu sắt điện relaxor và ứng dụng trong công nghệ màng mỏng.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Màng mỏng BSZT có ưu điểm gì so với vật liệu chứa chì?**  
   Màng BSZT không chứa chì, thân thiện với môi trường, có hằng số điện môi cao và mật độ dòng rò thấp, phù hợp cho các ứng dụng tích trữ năng lượng và cảm biến.

2. **Phương pháp sol-gel có những lợi thế gì trong chế tạo màng mỏng?**  
   Sol-gel đơn giản, chi phí thấp, không cần môi trường chân không cao, dễ dàng điều chỉnh thành phần và độ dày màng.

3. **Tại sao chọn các đế điện cực Pt, LNO và SRO để lắng đọng màng?**  
   Các đế này có tính chất dẫn điện tốt và ảnh hưởng đến định hướng tinh thể cũng như tính chất điện của màng, giúp tối ưu hóa hiệu suất vật liệu.

4. **Mật độ dòng rò thấp có ý nghĩa gì trong ứng dụng?**  
   Mật độ dòng rò thấp giúp giảm thất thoát điện, tăng độ bền và hiệu suất của linh kiện điện tử sử dụng màng sắt điện.

5. **Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi trong màng BSZT là gì?**  
   Tổn hao điện môi phụ thuộc vào loại đế điện cực, cấu trúc vi mô màng và điều kiện chế tạo như nhiệt độ kết tinh và độ dày màng.

## Kết luận

- Đã chế tạo thành công màng mỏng sắt điện không chì BSZT với cấu trúc tinh thể tứ giác đa tinh thể, định hướng ưu tiên trên đế SRO và LNO.  
- Màng có chiều dày khoảng 235 nm, bề mặt nhẵn, mật độ dòng rò thấp (~1.83 × 10^-10 A/cm^2) và hằng số điện môi cao (lên đến 559 trên đế SRO).  
- Phương pháp sol-gel là kỹ thuật hiệu quả, chi phí thấp để chế tạo màng mỏng BSZT với tính chất điện tốt.  
- Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu áp điện thân thiện môi trường, ứng dụng trong tích trữ năng lượng và cảm biến MEMS.  
- Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

**Hành động tiếp theo**: Triển khai các giải pháp tối ưu hóa công nghệ, mở rộng nghiên cứu ứng dụng và hợp tác với doanh nghiệp để thương mại hóa vật liệu BSZT.

**Kêu gọi**: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu điện tử nên quan tâm và ứng dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm công nghệ xanh, bền vững.