Nghiên Cứu Tính Chất Đặc Trưng Của Tổ Hợp Cấu Trúc Micro-Nano Trên Nền Vật Liệu Sắt

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của vật liệu tổ hợp cấu trúc micro nano trên nền, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Nguyễn Thị Minh Hồng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Đức Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu Đa Pha Sắt Trong Cấu Trúc Micro-Nano
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ
• 1.1.1. Hiệu ứng áp điện
• 1.1.2. Hiệu ứng từ giảo
• 1.1.3. Hiệu ứng điện từ
• 1.2. Vật liệu đa pha sắt
• 1.2.1. Vật liệu đơn pha
• 1.2.2. Vật liệu tổ hợp
• 1.3. Cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trường trong vật liệu đa pha sắt
• 1.4. Khả năng ứng dụng của vật liệu đa pha sắt trong công nghệ lưu trữ thông tin
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.2. Các phương pháp chế tạo
• 2.3. Các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và hình thái học
• 2.3.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể
• 2.3.2. Khảo sát cấu trúc vi mô
• 2.3.3. Xác định thành phần vật liệu
• 2.4. Các phương pháp đo tính chất điện, từ
• 2.4.1. Nghiên cứu tính chất từ
• 2.4.2. Khảo sát tính chất điện
• 2.5. Phương pháp khảo sát sự thay đổi tính chất từ dưới tác dụng của điện thế
• 2.5.1. Phương pháp đo
• 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của điện thế và phương từ trường
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP TRÊN PZT PHÂN CỰC DỌC
• 3.1. PZT/CoCr
• 3.2. PZT/NiFe/CoFe
• 3.2.1. Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần
• 3.2.2. Tính chất từ
• 3.2.3. Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ VẬT LIỆU ĐA PHA SẮT TỔ HỢP PZT/NiFe/CoFe CHẾ TẠO TRÊN ĐẾ PZT PHÂN CỰC NGANG
• 4.1. Cấu trúc tinh thể, vi mô và thành phần
• 4.2. Tính chất từ
• 4.3. Ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ
• 4.3.1. Sự thay đổi của từ độ dưới tác dụng của điện thế
• 4.3.2. Quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện thế
• 4.4. Ảnh hưởng của phương từ trường đến tính chất từ
• 4.5. Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ đến tính chất từ
• 4.6. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
• 5.1. Ảnh hưởng của điện trường đến tính chất từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp
• 5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố dị hướng lên quá trình định hướng mômen từ của vật liệu đa pha sắt tổ hợp
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Đa Pha Sắt Micro Nano

Nghiên cứu về vật liệu đa pha sắt trong cấu trúc micro-nano đang là một lĩnh vực nóng, thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học vật liệu. Sự kết hợp độc đáo giữa các tính chất vật liệu khác nhau trong một cấu trúc duy nhất mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ cảm biến và năng lượng đến y sinh. Vật liệu sắt được chọn làm nền tảng do các tính chất từ tính và cơ học vượt trội. Tuy nhiên, việc kiểm soát và điều khiển tính chất vật liệu ở quy mô micro và nano là một thách thức lớn, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về phân tích cấu trúc vật liệu và kỹ thuật chế tạo vật liệu micro-nano. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Minh Hồng (2017) đã tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của tổ hợp cấu trúc micro-nano trên nền vật liệu sắt điện, cung cấp một cái nhìn sâu sắc về lĩnh vực này.

1.1. Khái niệm vật liệu đa pha sắt và cấu trúc micro nano

Vật liệu đa pha là sự kết hợp của hai hoặc nhiều pha vật chất khác nhau, mỗi pha mang tính chất vật liệu riêng biệt, tạo ra một vật liệu mới với các tính chất tổng hợp, thường ưu việt hơn. Cấu trúc micro và nano đề cập đến kích thước của các thành phần trong vật liệu, dao động từ 1 micromet đến 100 nanomet. Sự kết hợp này cho phép kiểm soát tính chất từ tính, tính chất điện, và tính chất cơ học ở mức độ chưa từng có. Việc tổng hợp vật liệu đa pha ở kích thước micro-nano đòi hỏi các kỹ thuật chế tạo vật liệu micro-nano tiên tiến.

1.2. Lợi ích của việc nghiên cứu vật liệu đa pha sắt

Nghiên cứu vật liệu đa pha sắt mang lại nhiều lợi ích. Thứ nhất, nó mở ra khả năng tạo ra các vật liệu có tính chất tùy chỉnh, đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Thứ hai, nó thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu tiên tiến cho các lĩnh vực công nghệ cao. Thứ ba, nó góp phần vào sự hiểu biết cơ bản về tương tác giữa các pha vật chất ở quy mô nano, mở đường cho các phát minh đột phá. Cuối cùng, các ứng dụng vật liệu đa pha tiềm năng rất lớn, hứa hẹn mang lại nhiều giá trị kinh tế và xã hội.

II. Thách Thức Kiểm Soát Tính Chất Vật Liệu Đa Pha Sắt Nano

Mặc dù tiềm năng là rất lớn, việc nghiên cứu vật liệu đa pha sắt ở quy mô nano đối mặt với nhiều thách thức. Kiểm soát tính chất vật liệu ở quy mô nhỏ là một vấn đề nan giải do ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và kích thước lượng tử. Sự ổn định của cấu trúc nano cũng là một mối quan tâm lớn, vì các cấu trúc này dễ bị thay đổi bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và áp suất. Việc đặc trưng vật liệu chính xác cũng rất khó khăn do giới hạn của các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu hiện tại. Cuối cùng, việc tổng hợp vật liệu đa pha với độ chính xác cao và chi phí hợp lý vẫn là một mục tiêu khó đạt được.

2.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt và kích thước lượng tử

Ở quy mô nano, diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến sự chi phối của các hiệu ứng bề mặt đối với tính chất vật liệu. Các nguyên tử bề mặt có môi trường hóa học khác với các nguyên tử bên trong, dẫn đến sự thay đổi về tính chất điện, từ, và cơ học. Kích thước lượng tử cũng đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt khi kích thước của vật liệu gần với bước sóng de Broglie của electron. Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của các tính chất mới, không có ở vật liệu khối.

2.2. Vấn đề ổn định cấu trúc nano và phương pháp giải quyết

Các cấu trúc nano thường không ổn định do năng lượng bề mặt cao. Chúng có xu hướng kết tụ lại với nhau để giảm diện tích bề mặt, làm mất đi các tính chất đặc biệt. Để giải quyết vấn đề này, người ta thường sử dụng các chất ổn định bề mặt hoặc bọc các hạt nano trong một lớp vỏ bảo vệ. Ngoài ra, việc chế tạo vật liệu trong môi trường kiểm soát chặt chẽ cũng rất quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Đa Pha Sắt Cấu Trúc Micro Nano

Để giải quyết các thách thức trên, nhiều phương pháp chế tạo tiên tiến đã được phát triển để tổng hợp vật liệu đa pha sắt ở quy mô micro-nano. Các phương pháp này bao gồm phún xạ, bốc bay, lắng đọng hóa học pha hơi (CVD), và tổng hợp hóa học. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại vật liệu và ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn kỹ thuật chế tạo vật liệu micro-nano phù hợp là rất quan trọng để đạt được tính chất vật liệu mong muốn.

3.1. Kỹ thuật phún xạ và ứng dụng trong chế tạo vật liệu đa pha sắt

Phún xạ là một kỹ thuật phổ biến để chế tạo vật liệu đa pha. Trong quá trình này, các ion năng lượng cao được bắn phá vào một bia vật liệu (target), làm bắn ra các nguyên tử hoặc phân tử. Các hạt này sau đó được lắng đọng trên một đế (substrate) để tạo thành một màng mỏng. Phún xạ có thể được sử dụng để chế tạo các màng mỏng đa lớp với độ dày và thành phần được kiểm soát chính xác. Kỹ thuật này rất thích hợp cho vật liệu PZT/NiFe/CoFe.

3.2. Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi CVD và ưu điểm

Lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) là một phương pháp khác để chế tạo vật liệu đa pha. Trong phương pháp này, các tiền chất hóa học (precursors) ở dạng khí được đưa vào một lò phản ứng. Ở nhiệt độ cao, các tiền chất này phân hủy và lắng đọng trên một đế để tạo thành một màng mỏng. CVD có ưu điểm là có thể chế tạo các màng mỏng có độ phủ cao và chất lượng tốt, đặc biệt thích hợp cho các vật liệu composite.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Điện Thế Đến Tính Chất Từ Tính Nano Sắt

Nghiên cứu về ảnh hưởng của điện thế đến tính chất từ tính của vật liệu sắt ở quy mô nano là một lĩnh vực quan trọng trong việc phát triển các thiết bị điện từ tiên tiến. Bằng cách tác động một điện thế lên vật liệu đa pha sắt, có thể điều khiển tính chất từ tính của nó, mở ra khả năng ứng dụng trong các cảm biến từ trường, bộ nhớ magnetoresistance, và các thiết bị năng lượng.

4.1. Cơ chế ảnh hưởng của điện thế lên tính chất từ tính

Điện thế có thể ảnh hưởng đến tính chất từ tính thông qua nhiều cơ chế. Một trong số đó là hiệu ứng điện trường, trong đó điện trường tác động lên các electron trong vật liệu, làm thay đổi sự sắp xếp của các spin từ. Một cơ chế khác là hiệu ứng áp điện, trong đó điện trường làm biến dạng vật liệu, tạo ra ứng suất cơ học, và ứng suất này có thể ảnh hưởng đến tính chất từ tính thông qua hiệu ứng từ giảo.

4.2. Ứng dụng điều khiển tính chất từ tính trong cảm biến từ trường

Khả năng điều khiển tính chất từ tính bằng điện thế mở ra tiềm năng ứng dụng trong các cảm biến từ trường có độ nhạy cao. Bằng cách sử dụng vật liệu đa pha sắt có tính chất từ tính thay đổi mạnh mẽ dưới tác động của điện thế, có thể tạo ra các cảm biến có khả năng phát hiện các từ trường nhỏ một cách chính xác. Những cảm biến này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm y sinh, điện tử tiêu dùng, và an ninh.

V. Ứng Dụng Vật Liệu Đa Pha Sắt Micro Nano trong Y Sinh

Vật liệu đa pha sắt trong cấu trúc micro-nano hứa hẹn nhiều ứng dụng đột phá trong lĩnh vực y sinh. Khả năng điều khiển tính chất từ tính và điện của chúng mở ra tiềm năng trong chẩn đoán hình ảnh, điều trị trúng đích, và kỹ thuật tái tạo mô. Việc phát triển các vật liệu biocompatible và an toàn là rất quan trọng để đảm bảo tính khả thi của các ứng dụng này.

5.1. Ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh MRI

Các hạt nano sắt oxit có thể được sử dụng làm chất tương phản trong chẩn đoán hình ảnh MRI. Chúng có khả năng tăng cường độ tương phản của hình ảnh, giúp các bác sĩ phát hiện các khối u và các bệnh lý khác một cách dễ dàng hơn. Bằng cách gắn các hạt nano này với các kháng thể hoặc các phân tử nhắm mục tiêu, có thể tăng cường độ đặc hiệu của chúng đối với các tế bào bệnh, cho phép chẩn đoán sớm và chính xác hơn.

5.2. Điều trị trúng đích ung thư bằng vật liệu nano sắt

Vật liệu nano sắt có thể được sử dụng để điều trị trúng đích ung thư. Bằng cách đưa các hạt nano này vào cơ thể và tập trung chúng vào các tế bào ung thư bằng cách sử dụng từ trường, có thể tiêu diệt các tế bào ung thư bằng cách làm nóng chúng hoặc bằng cách giải phóng các thuốc điều trị trực tiếp vào chúng. Phương pháp này có thể giảm thiểu tác dụng phụ của điều trị so với các phương pháp truyền thống như hóa trị và xạ trị.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Và Hướng Phát Triển Vật Liệu Đa Pha

Nghiên cứu vật liệu đa pha sắt trong cấu trúc micro-nano là một lĩnh vực đầy hứa hẹn với tiềm năng ứng dụng to lớn. Mặc dù còn nhiều thách thức, sự tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo, phân tích cấu trúc vật liệu, và mô phỏng vật liệu đang mở ra những cơ hội mới. Trong tương lai, chúng ta có thể mong đợi sự phát triển của các vật liệu tiên tiến với tính chất tùy chỉnh, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghệ cao, đặc biệt trong các lĩnh vực cảm biến, năng lượng, và y sinh.

6.1. Hướng phát triển vật liệu đa pha sắt chức năng cao

Hướng phát triển chính là tạo ra các vật liệu chức năng cao với các tính chất được điều khiển chính xác. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp tổng hợp vật liệu tiên tiến, các phương pháp đặc trưng vật liệu hiện đại, và các công cụ mô phỏng vật liệu mạnh mẽ. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu có khả năng tự lắp ráp, tự sửa chữa, và tự thích ứng với môi trường, mang lại các ứng dụng chưa từng có.

6.2. Nghiên cứu vật liệu đa pha sắt hướng đến ứng dụng bền vững

Một hướng phát triển quan trọng khác là nghiên cứu các vật liệu thân thiện với môi trường và có thể tái chế. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các vật liệu không độc hại và có thể phân hủy sinh học, cũng như phát triển các quy trình chế tạo vật liệu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chất thải. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu đóng góp vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Vật liệu và linh kiện nanô (mã số đào tạo thí điểm) với đề tài "Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của tổ hợp cấu trúc micro-nano trên nền vật liệu sắt điện" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Minh Hồng thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phạm Đức Thắng và GS. Nguyễn Hữu Đức (hoàn thành năm 2017).

• Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ vật liệu đa chức năng, hướng nghiên cứu về khả năng điều khiển tính chất từ bằng điện trường (hoặc điện thế) thay cho từ trường truyền thống thu hút sự quan tâm lớn nhằm ứng dụng trong công nghệ lưu trữ thông tin thế hệ mới, điển hình là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện từ MERAM (Magneto-Electric Random Access Memories). So với cơ chế đảo từ bằng từ trường ngoài hoặc dòng điện trong bộ nhớ MRAM, cơ chế đảo từ cảm ứng điện trường mang lại các đặc tính như mật độ tích hợp cao, tốc độ ghi nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và giảm thiểu ảnh hưởng xuyên âm đến các ô nhớ lân cận. Trong khi các vật liệu đa pha sắt đơn pha tồn tại hiệu ứng điện từ rất yếu ở nhiệt độ phòng, vật liệu đa pha sắt tổ hợp kết hợp pha sắt điện/áp điện và pha sắt từ/từ giảo thông qua liên kết đàn hồi cho phép tạo ra tương tác điện từ lớn. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu tổ hợp trước đây sử dụng vật liệu từ giảo chứa đất hiếm đắt tiền (như Terfenol-D) đòi hỏi từ trường phân cực lớn, hoặc dùng keo epoxy để liên kết dạng tấm làm suy giảm tương tác truyền ứng suất cơ học qua mặt phân giới. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo tổ hợp màng sắt từ mềm trên nền đế gốm áp điện bằng kỹ thuật phún xạ trực tiếp, khảo sát chi tiết cơ chế tương tác điện từ và quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện trường là yêu cầu cấp thiết.
• Mục tiêu nghiên cứu:
  1. Nghiên cứu chế tạo một số vật liệu đa pha sắt tổ hợp trên nền vật liệu $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3$ (PZT) và các hợp kim kim loại chuyển tiếp 3d bằng phương pháp kết dính và phương pháp phún xạ catot trực tiếp, phù hợp với điều kiện công nghệ thực nghiệm.
  2. Khảo sát vi cấu trúc, thành phần, tính chất điện và tính chất từ; nghiên cứu ảnh hưởng của điện thế (điện trường) lên sự thay đổi từ độ, quá trình đảo từ, ảnh hưởng của phương từ trường ngoài và chiều dày lớp sắt từ trong các cấu trúc tổ hợp $PZT/CoCr$ và $PZT/NiFe/CoFe$.
  3. Áp dụng các mô hình lý thuyết và tính toán vi từ học để giải thích cơ chế tương tác điện từ thông qua biến dạng đàn hồi mặt phân giới và vai trò của các thành phần năng lượng dị hướng từ.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu tổ hợp $PZT/CoCr$ chế tạo bằng phương pháp kết dính trên đế PZT phân cực dọc; Hệ vật liệu tổ hợp màng mỏng $PZT/NiFe/CoFe$ chế tạo bằng phương pháp phún xạ catot trực tiếp trên hai cấu hình đế gốm áp điện PZT phân cực dọc và PZT phân cực ngang.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các đặc trưng cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, đường cong từ trễ $M(H)$, đường trễ sắt điện $P(U)$, dòng rò, và động học biến thiên từ độ $M(U)$, $M(t)$ dưới tác động của điện áp một chiều/xung điện áp và từ trường định thiên $H_{bias}$ ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ micro và nano, Trường Đại học Công nghệ – ĐHQGHN, với sự hỗ trợ một phần từ đề tài mã số 103.80 của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả hệ thống hóa các mốc phát triển lý thuyết và thực nghiệm về hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ:

• Các nghiên cứu nền tảng quốc tế: Hiệu ứng áp điện được phát hiện năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie; hiệu ứng từ giảo được James Prescott Joule phát hiện năm 1842. Khái niệm tương tác điện từ nội tại được Pierre Curie đề xuất năm 1894 và Debye phát triển năm 1926. Năm 1959, I. Dzyaloshinskii dự đoán lý thuyết về hiệu ứng điện từ trên vật liệu đơn pha $Cr_2O_3$, được Astrov (1960) và Rado & Folen (1961) kiểm chứng thực nghiệm. Năm 1994, Hans Schmid đưa ra định nghĩa chuẩn hóa cho vật liệu đa pha sắt (multiferroics). Khomskii phân loại vật liệu đơn pha thành Loại I (như $BiFeO_3$, $REMnO_3$) và Loại II (như $TbMnO_3$, $TbMn_2O_5$, $HoMnO_3$, $Ni_3V_2O_8$).
• Vật liệu đa pha sắt tổ hợp: Năm 1972, J. Van Suchetelene và Boomgaard nghiên cứu tổ hợp gốm khối $BaTiO_3 - CoFe_2O_4$ đạt hệ số điện từ thuận $D_{ME} = 130\text{ mV/(cm}\cdot\text{Oe)}$. Tiếp đó, các cấu trúc tổ hợp dạng màng mỏng và dạng tấm được phát triển nhằm tăng cường tương tác mặt phân giới: Srinivasan (2004) công bố hệ màng đa lớp ${NiZnFeO/PZT}n$ với $D{ME} = 3{,}3\text{ V/(cm}\cdot\text{Oe)}$; Bichurin và cộng sự (2003) đạt $D_{ME} = 23\text{ V/(cm}\cdot\text{Oe)}$ trên hệ $NFO/PZT$ tại tần số cộng hưởng. Các nghiên cứu điều khiển từ độ bằng điện trường trên các cấu hình $FeGaB/PMN-PT$ (Lou và cộng sự), $TbCo_2/FeCo/PZT(011)$ (Tiercelin và cộng sự), $FeMn/NiFe/FeGaB/PZT-PT$ (Liu và cộng sự), $Ni/PMN-PT$ (Chopdekar, Buzi) đã chứng minh khả năng quay mômen từ $90^\circ$ và $180^\circ$ cảm ứng ứng suất.
• Tình hình nghiên cứu trong nước: Nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Hữu Đức tại Trường Đại học Công nghệ từ năm 2005 đã triển khai các hệ vật liệu $PZT/TerfecoHan$ và $PZT/FeCoBSi$ chế tạo bằng phương pháp kết dính, đạt $D_{ME} = 2{,}2\text{ V/(cm}\cdot\text{Oe)}$ (thế cộng hưởng cực đại 220 V/Oe), ứng dụng cho cảm biến từ trường. Năm 2008, nhóm tiếp tục nghiên cứu màng tổ hợp $PZT/CoFe_2O_4$ bằng phương pháp bốc bay xung. Giai đoạn 2011–2012, nhóm của PGS. Lê Văn Hồng tại Viện Khoa học vật liệu nghiên cứu các hệ gốm đơn pha $BaTi_{1-x}Mn_xO_3$ và $BaTi_{1-x}Fe_xO_3$.
• Khoảng trống luận án giải quyết: Hầu hết các hệ tổ hợp màng từ trước đó sử dụng lớp keo dán trung gian gây tiêu hao ứng suất, hoặc sử dụng vật liệu từ giảo đắt tiền. Luận án lựa chọn giải pháp phún xạ catot trực tiếp các màng hợp kim sắt từ mềm gốc kim loại chuyển tiếp 3d ($NiFe$, $CoFe$) lên đế gốm áp điện $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3$, đồng thời so sánh tường minh giữa hai trạng thái phân cực của đế PZT (phân cực dọc và phân cực ngang) kết hợp mô hình hóa lý thuyết định lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

• Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng:
  • Hiệu ứng áp điện và sắt điện: Mô tả qua mối liên hệ giữa ứng suất cơ học $\sigma$ và điện trường $E$: $E = -k\sigma$, hệ số thế áp điện $g = d/\varepsilon^T$. Vật liệu sắt điện perovskite $ABO_3$ (điển hình là $Pb(Zr_xTi_{1-x})O_3$ tại biên pha hình thái học MPB với $x = 0{,}52$) có sự dịch chuyển của cation $B$ ($Zr^{4+}/Ti^{4+}$) tạo phân cực tự phát $P_S$ và biến dạng mạng tinh thể khi có điện trường ngoài.
  • Hiệu ứng từ giảo: Sự thay đổi kích thước tương đối $\lambda(H) = \Delta l/l_0$ của vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường ngoài, xuất phát từ tương tác spin - quỹ đạo của các điện tử $3d$.
  • Hiệu ứng điện từ trong vật liệu tổ hợp: Tương tác điện từ thuận ($DME$) và ngược ($CME$) thể hiện qua tensơ cảm ứng $P = \chi_E E + \chi_{EM} H$. Trong vật liệu tổ hợp, tương tác điện từ không bắt nguồn trực tiếp từ trật tự nội tại nguyên tử mà là hiệu ứng tích hợp gián tiếp thông qua biến dạng đàn hồi trung gian: điện trường ngoài $E$ làm biến dạng đế áp điện PZT $\rightarrow$ truyền ứng suất $\sigma$ qua mặt phân giới $\rightarrow$ gây biến dạng đàn hồi trong lớp từ giảo $\rightarrow$ thay đổi năng lượng dị hướng từ và đảo hướng từ độ $M$.
• Phương pháp thực nghiệm và thiết bị phân tích:
  • Chế tạo mẫu: Sử dụng phương pháp kết dính bằng keo cho hệ mẫu $PZT/CoCr$; sử dụng phương pháp phún xạ catot trực tiếp trên hệ thiết bị chân không cao ATC 2000 để lắng đọng các lớp màng mỏng $NiFe$ (Permalloy) và $CoFe$ lên đế PZT.
  • Phân tích cấu trúc và thành phần: Nhiễu xạ tia X (XRD) trên hệ D8 Advance (Bruker) để xác định cấu trúc pha tinh thể; Kính hiển vi điện tử quét SEM S3400 (Hitachi) và FESEM để khảo sát hình thái học bề mặt, mặt cắt ngang và độ dày màng; Phổ kế tán sắc năng lượng tia X (EDS) trên thiết bị JSM-7600F (JEOL) để xác định tỷ lệ thành phần nguyên tố.
  • Đo đạc tính chất điện và từ: Thiết bị Precision LC 10 (Radiant) đo đường trễ phân cực $P(U)$ theo mạch Sawyer - Tower và đặc tính dòng rò; Từ kế mẫu rung VSM 7404 (Lake Shore) đo đường cong từ trễ $M(H)$, xác định lực kháng từ $H_C$, từ độ bão hòa $M_S$ và từ độ dư $M_R$.
  • Hệ đo biến thiên từ độ cảm ứng điện thế: Tích hợp từ kế mẫu rung VSM với bộ khuếch đại cao áp (HVA) để đo đường cong $M(U)$, $M(t)$ tại các giá trị từ trường định thiên $H_{bias}$ và góc định hướng từ trường $\alpha$ ($0^\circ, 45^\circ, 90^\circ$).
• Mô hình tính toán lý thuyết: Áp dụng lý thuyết vi từ học, tính toán tổng mật độ năng lượng tự do từ $F = F_{mc} + F_{shape} + F_{me} + F_S$ (gồm dị hướng từ tinh thể, dị hướng hình dạng, dị hướng từ đàn hồi cảm ứng suất và dị hướng bề mặt) để giải thích sự quay mômen từ $90^\circ$ và xác định điện trường tới hạn $E_{cr}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết về hiệu ứng áp điện, từ giảo và hiệu ứng điện từ ($DME$, $CME$). Tác giả phân loại chi tiết vật liệu đa pha sắt đơn pha (Bảng 1.1) và vật liệu đa pha sắt tổ hợp theo các cấu trúc: dạng cột, màng đa lớp, dạng hạt phân tán và dạng tấm (Bảng 1.2). Chương 1 phân tích sâu cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trường thông qua tương tác ứng suất mặt phân giới, đồng thời trình bày nguyên lý hoạt động của ô nhớ MERAM dựa trên cấu trúc van spin/tiếp xúc từ điện trở kết hợp pha áp điện.

Bảng 1.1: Thông số chuyển pha của một số vật liệu đa pha sắt đơn pha tiêu biểu

Hợp chất	Trật tự điện	Trật tự từ	$T_{CE}\text{ (K)}$	$T_{CM}\text{ (K)}$
$\text{BiFeO}_3$	Sắt điện (FE)	Phản sắt từ (AFM)	1123	650
$\text{BiMnO}_3$	Sắt điện (FE)	Sắt từ (FM)	450	105
$\text{YMnO}_3$	Sắt điện (FE)	Phản sắt từ (AFM)	913	80
$\text{YbMnO}_3$	Sắt điện (FE)	AFM/WFM	983	87{,}3
$\text{HoMnO}_3$	Sắt điện (FE)	AFM/WFM	873	76
$\text{ErMnO}_3$	Sắt điện (FE)	Phản sắt từ (AFM)	883	79
$\beta\text{-NaFeO}_2$	Sắt điện (FE)	Sắt từ yếu (WFM)	723	723
$\text{Pb(Fe}{2/3}\text{W}{1/3}\text{)O}_3$	Sắt điện (FE)	Phản sắt từ (AFM)	178	363
$\text{Pb(Fe}{1/2}\text{Nb}{1/2}\text{)O}_3$	Sắt điện (FE)	Phản sắt từ (AFM)	387	143
$\text{Eu}{1/2}\text{Ba}{1/2}\text{TiO}_3$	Sắt điện (FE)	Sắt từ (FM)	165	4{,}2

Bảng 1.2: Hệ số thế điện từ thuận $D_{ME}$ của một số vật liệu tổ hợp

Vật liệu	Dạng cấu trúc	$D_{ME}\text{ (mV/cm}\cdot\text{Oe)}$
$\text{BaTiO}_3/\text{CoFe}_2\text{O}_4$	Tổ hợp khối	50
$\text{Terfenol-D/PZT}$	Dạng tấm trong ma trận polymer	3000
$\text{Terfenol-D/PZT}$	Dạng tấm liên kết keo	4800
$\text{La}{0{,}7}\text{Sr}{0{,}3}\text{MnO}_3/\text{PZT}$	Dạng tấm	60
$\text{NiFe}_2\text{O}_4/\text{PZT}$	Dạng tấm	1400

Chương 2: Chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát tính chất

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình công nghệ chế tạo và các phương pháp thực nghiệm:

• Vật liệu đế PZT: Sử dụng gốm áp điện $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3$ ở hai dạng phân cực: phân cực dọc (vectơ phân cực vuông góc mặt phẳng đế) và phân cực ngang (vectơ phân cực nằm trong mặt phẳng đế). Các thông số cơ bản của đế gồm hằng số điện môi phụ thuộc tần số, đường cong trễ $P(U)$ và dòng rò theo thời gian đo bằng thiết bị Precision LC 10.
• Công nghệ phún xạ: Chế tạo màng mỏng kim loại từ mềm $Ni_{80}Fe_{20}$ (lớp đệm) và $Co_{90}Fe_{10}$ trên hệ phún xạ catot ATC 2000. Chiều dày màng được kiểm soát qua thời gian phún xạ và kiểm chứng bằng ảnh FESEM mặt cắt ngang.
• Hệ đo đạc kết hợp: Trình bày nguyên lý đo cấu trúc bằng XRD D8 Advance, vi cấu trúc bằng SEM S3400/FESEM, thành phần bằng EDS JSM-7600F, tính chất từ bằng VSM 7404 và sơ đồ phối ghép hệ đo khảo sát quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện thế một chiều/xung thế kết hợp phân tích góc đo $\alpha$.

Chương 3: Các hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp trên PZT phân cực dọc

Chương 3 khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hai hệ mẫu chế tạo trên đế PZT phân cực dọc:

1. Hệ mẫu PZT/CoCr (chế tạo bằng dán keo): Khảo sát cấu trúc tinh thể, phổ EDS và đường cong từ trễ của các mẫu P1, P2, P3, P4. Kết quả cho thấy từ độ thay đổi dưới tác dụng của điện thế đặt vào hai cực PZT tại các giá trị từ trường ngoài khác nhau.
2. Hệ mẫu PZT/NiFe/CoFe (chế tạo bằng phún xạ catot trực tiếp): Khảo sát dãy mẫu ký hiệu D1, D2, D3, D4 với chiều dày lớp đệm NiFe thay đổi (lớp CoFe cố định).
   • Cấu trúc: Giản đồ XRD và phổ EDS của mẫu D1 xác nhận sự hình thành các pha hợp kim trên đế PZT. Ảnh SEM cho thấy màng có độ đồng đều bề mặt cao.
   • Tính chất từ: Khảo sát đường cong $M(H)$ theo các góc đo $\alpha$ trong mặt phẳng; xác định sự phụ thuộc của lực kháng từ song song $H_{C//}$ và từ độ bão hòa $M_{S//}$ vào chiều dày lớp NiFe.
   • Ảnh hưởng của điện thế: Khảo sát đường cong $M(U)$ tại góc $\alpha = 0^\circ$ và trường định thiên $H_{bias} = -50\text{ Oe}$. Phân tích độ biến thiên từ độ $\Delta M$, tỷ số $\Delta M/\Delta U$, và thế đảo từ $U_đ(V)$ của các mẫu $D_i$ tại các giá trị từ trường khác nhau.
   • Ảnh hưởng của góc $\alpha$: Khảo sát đường cong $M(\alpha)$ tại $H_{bias} = 50\text{ Oe}$ ở các mức điện áp $U = 0\text{ V}, 100\text{ V}, -100\text{ V}$, làm rõ sự thay đổi trục dễ từ dưới tác dụng của điện thế.

Chương 4: Hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp PZT/NiFe/CoFe chế tạo trên đế PZT phân cực ngang

Chương này tập trung nghiên cứu hệ mẫu phún xạ trực tiếp trên đế PZT phân cực ngang (dãy mẫu N1, N2, N3, N4):

• Cấu trúc vi mô và pha: Giản đồ XRD và phổ EDS mẫu N1 xác nhận sự lắng đọng trực tiếp của màng từ lên đế PZT phân cực ngang.
• Tính chất từ và dị hướng trong mặt phẳng: Khảo sát đường cong từ trễ $M(H)$, sự biến thiên của $H_C$, $M_S$ và $M_R$ theo chiều dày lớp đệm NiFe và theo các góc $\alpha = 0^\circ, 45^\circ, 90^\circ$.
• Ảnh hưởng của điện thế và quá trình đảo từ:
  • Khảo sát sự thay đổi từ độ theo điện áp $M(U)$ ở các góc $\alpha$ khác nhau ($0^\circ, 45^\circ, 90^\circ$) tại các mức từ trường $H_{bias}$.
  • Xác định thế đảo từ $U_đ$, độ dốc $\tan\varphi$ của đường $M(U)$, hệ số cảm trường $\chi(U)$, và độ biến thiên từ độ $\Delta M$ tại các giá trị điện thế và từ trường định thiên.
  • Khảo sát động học từ độ theo thời gian $M(t)$ tại $H_{bias} = 50\text{ Oe}$ khi đặt điện áp $U = 0\text{ V}$ và $50\text{ V}$, chứng minh trạng thái từ ổn định phục vụ ghi nhớ thông tin.
• Ảnh hưởng của chiều dày lớp sắt từ: Đánh giá sự phụ thuộc của thế đảo từ $U_đ$ vào chiều dày lớp CoFe và lớp đệm NiFe.
• So sánh tổng hợp hai cấu hình đế: Bảng 4.10 tổng hợp so sánh toàn diện giữa hệ đế PZT phân cực dọc và đế PZT phân cực ngang, khẳng định cấu hình phân cực ngang tạo ra dị hướng ứng suất trong mặt phẳng mạnh hơn, giúp quá trình đảo từ diễn ra rõ rệt ở điện thế thấp hơn.

Chương 5: Tính toán lý thuyết

Chương 5 xây dựng mô hình tính toán giải thích các kết quả thực nghiệm:

• Mô hình tương tác điện từ qua biến dạng: Biểu diễn mối liên hệ giữa biến dạng áp điện trong mặt phẳng $e_p(U)$ của đế PZT với sự biến thiên trường dị hướng hiệu dụng vuông góc $H_{eff}^{OP}(U)$ trong màng $PZT/NiFe/CoFe$ theo các chiều dày lớp từ khác nhau.
• Mô hình đảo hướng mômen từ $90^\circ$: Phân tích vi cấu trúc từ của lớp sắt từ tự do NiFe trên đế PZT phân cực ngang. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, biến dạng cơ học làm quay trục dị hướng từ trong mặt phẳng một góc $90^\circ$.
• Tính toán điện trường chuyển mạch tới hạn: Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng để tính toán điện trường chuyển mạch thuận $E_{sw}^{cr, f}$ và chuyển mạch nghịch $E_{sw}^{cr, b}$ theo chiều dày $d$ của lớp sắt từ tự do trong hai trường hợp:
  1. Mô hình không xét đến năng lượng bề mặt ($F_{surf} = 0$).
  2. Mô hình có xét đến năng lượng bề mặt ($F_{surf} \neq 0$). Kết quả tính toán chỉ ra rằng năng lượng dị hướng bề mặt đóng vai trò quyết định đến độ bất đối xứng của trường đảo từ khi chiều dày lớp màng giảm xuống thang nanomet.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Về mặt công nghệ chế tạo: Luận án đã chế tạo thành công hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp màng mỏng kim loại chuyển tiếp $PZT/NiFe/CoFe$ trên cả hai loại đế gốm áp điện PZT phân cực dọc và phân cực ngang bằng phương pháp phún xạ catot trực tiếp. Phương pháp này loại bỏ được lớp keo dán trung gian, cho phép ứng suất đàn hồi truyền trực tiếp qua mặt phân giới giữa pha sắt điện và pha sắt từ.
2. Về mặt thực nghiệm và cơ chế vật lý:
   • Khảo sát chi tiết sự thay đổi từ độ và quá trình đảo từ dưới tác dụng của điện thế một chiều và xung điện áp; chứng minh được khả năng điều khiển định hướng mômen từ trong mặt phẳng thông qua điện trường ngoài.
   • Xác định được các thông số định lượng quan trọng gồm lực kháng từ $H_C$, từ độ bão hòa $M_S$, từ độ dư $M_R$, độ biến thiên từ độ $\Delta M$, tỷ số $\Delta M/\Delta U$, và điện thế đảo từ $U_đ$ theo các góc từ trường $\alpha$, từ trường định thiên $H_{bias}$ và chiều dày lớp sắt từ.
   • Chứng minh cấu hình đế PZT phân cực ngang mang lại hiệu quả điều khiển từ độ và chuyển mạch từ ưu việt hơn cấu hình phân cực dọc nhờ tạo ra trường ứng suất dị hướng đơn trục trong mặt phẳng màng.
3. Về mặt tính toán lý thuyết: Xây dựng thành công mô hình vi từ học kết hợp dị hướng từ đàn hồi và dị hướng bề mặt, tính toán chính xác sự phụ thuộc của điện trường đảo từ tới hạn $E_{sw}^{cr}$ vào chiều dày lớp từ $d$, giải thích bản chất vật lý của quá trình quay mômen từ $90^\circ$ cảm ứng điện trường.
4. Kiến nghị và đề xuất: Đề xuất ứng dụng cấu trúc tổ hợp $PZT/NiFe/CoFe$ phân cực ngang vào thiết kế các phần tử ô nhớ MERAM và cảm biến từ trường tiêu thụ năng lượng thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát các mẫu chế tạo trên nền đế gốm áp điện PZT khối có độ dày lớn hơn rất nhiều so với lớp màng từ mỏng; các phép đo từ tính vĩ mô (VSM) chưa ghi nhận trực tiếp động học chuyển động của từng vách đômen từ cục bộ ở cấp độ hiển vi nguyên tử; quá trình đảo từ vẫn cần sự hỗ trợ của từ trường định thiên $H_{bias}$ nhỏ.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Tối ưu hóa cấu trúc hướng tới tích hợp hoàn toàn ở quy mô màng mỏng (sử dụng màng mỏng áp điện PZT epitaxy thay cho đế gốm khối).
  • Nghiên cứu cơ chế đảo từ $180^\circ$ hoàn toàn bằng xung điện thế mà không cần từ trường ngoài định thiên (thông qua tương tác trao đổi dịch hoặc dị hướng đa trục).
  • Thử nghiệm tích hợp cấu trúc tổ hợp vào các linh kiện đọc/ghi của bộ nhớ MERAM thực tế.

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu, Vật liệu và linh kiện nanô: Luận án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật phún xạ catot màng đa lớp kim loại từ mềm trên đế gốm, phương pháp đo kết hợp điện - từ (VSM phối hợp nguồn áp cao HVA), quy trình đo đường trễ sắt điện mạch Sawyer - Tower và phương pháp xây dựng mô hình tính toán dị hướng vi từ học.
• Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ vi điện tử: Cung cấp số liệu thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về hiệu ứng điện từ ngược ($CME$) phục vụ giảng dạy các chuyên đề vật liệu đa chức năng, cảm biến từ đàn hồi và linh kiện spintronics.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc tổ hợp chính được nghiên cứu trong luận án gồm những lớp vật liệu nào? Luận án tập trung nghiên cứu cấu trúc đa lớp $PZT/NiFe/CoFe$, trong đó $Pb(Zr_{0.52}Ti_{0.48})O_3$ (PZT) đóng vai trò là đế áp điện/sắt điện, hợp kim $Ni_{80}Fe_{20}$ (Permalloy) đóng vai trò là lớp đệm từ mềm, và hợp kim $Co_{90}Fe_{10}$ là lớp sắt từ có tính từ giảo cao. Ngoài ra, hệ mẫu $PZT/CoCr$ chế tạo bằng phương pháp kết dính cũng được khảo sát để đối chứng.

2. Tại sao phương pháp phún xạ catot trực tiếp lại vượt trội hơn phương pháp kết dính bằng keo epoxy? Phương pháp phún xạ catot lắng đọng trực tiếp màng từ lên đế áp điện giúp loại bỏ hoàn toàn pha keo dán trung gian. Điều này giúp ứng suất cơ học sinh ra từ hiệu ứng áp điện ngược của đế PZT được truyền trực tiếp và nguyên vẹn qua mặt phân giới sang pha từ giảo, hạn chế tiêu hao năng lượng đàn hồi và tăng cường liên kết điện từ ($MEC$).

3. Sự khác nhau cơ bản giữa đế PZT phân cực dọc và PZT phân cực ngang trong luận án là gì? Đế PZT phân cực dọc có vectơ phân cực vuông góc với mặt phẳng màng, tạo ra ứng suất nén/giãn đẳng hướng hoặc đối xứng trục trong mặt phẳng khi đặt điện thế. Đế PZT phân cực ngang có vectơ phân cực nằm trong mặt phẳng màng, tạo ra biến dạng áp điện dị hướng đơn trục rõ rệt trong mặt phẳng, giúp điều khiển việc quay mômen từ và làm giảm đáng kể điện thế đảo từ $U_đ$.

4. Khái niệm bộ nhớ MERAM được đề cập trong luận án có ưu điểm gì so với MRAM truyền thống? Bộ nhớ MERAM (Magneto-Electric Random Access Memories) sử dụng điện trường (điện áp) để ghi dữ liệu thông qua hiệu ứng điện từ thay vì dùng dòng điện tạo từ trường hoặc dòng spin như MRAM. Cơ chế này giúp giảm mạnh điện năng tiêu thụ, tăng tốc độ ghi, nâng cao mật độ ô nhớ và tránh hiện tượng nhiễu từ trường sang các ô nhớ lân cận.

5. Mô hình lý thuyết ở Chương 5 đã xem xét những thành phần năng lượng nào để tính toán điện trường đảo từ tới hạn $E_{cr}$? Mô hình lý thuyết tính toán tổng mật độ năng lượng tự do từ $F$ bao gồm bốn thành phần: năng lượng dị hướng từ tinh thể ($F_{mc}$), năng lượng dị hướng hình dạng ($F_{shape}$), năng lượng dị hướng từ đàn hồi cảm ứng suất ($F_{me}$) và năng lượng dị hướng bề mặt ($F_{surf}$). Mô hình đã chỉ ra vai trò quan trọng của năng lượng bề mặt khi chiều dày màng sắt từ giảm xuống thang nanomet.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Minh Hồng đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ chế tạo và làm sáng tỏ cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trường trong hệ vật liệu đa pha sắt tổ hợp cấu trúc micro-nano $PZT/NiFe/CoFe$. Việc kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm phún xạ catot trực tiếp trên đế PZT phân cực ngang với mô hình tính toán lý thuyết vi từ học đã chứng minh khả năng định hướng lại mômen từ và đảo từ bằng điện thế ở nhiệt độ phòng. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển các thế hệ linh kiện lưu trữ thông tin MERAM và cảm biến từ điện thế hệ mới tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần Mở đầu, các Danh mục (các ký hiệu và chữ viết tắt, các bảng, các hình vẽ, đồ thị), Kết luận chung, Danh mục các công trình khoa học đã công bố của luận án và Tài liệu tham khảo, nội dung của luận án bao gồm 5 chƣơng nhƣ sau: - Chƣơng 1: Tổng quan về hiệu ứng điện từ, vật liệu đa pha sắt, cơ chế điều khiển tính chất từ bằng điện trƣờng và khả năng ứng dụng vật liệu đa pha sắt trong lƣu trữ thông tin. - Chƣơng 2: Các phƣơng pháp chế tạo mẫu và khảo sát các tính chất điện từ của vật liệu tổ hợp và khảo sát quá trình đảo từ cảm ứng điện thế.nano TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Chƣơng 3: Các kết quả về hệ vật liệu tổ hợp PZT/CoCr chế tạo bằng phƣơng pháp kết dính và hệ vật liệu PZT/NiFe/CoFe với đế áp điện PZT phân cực dọc chế tạo bằng phƣơng pháp phún xạ trực tiếp. - Chƣơng 4: Các kết quả về hệ vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe với đế áp điện PZT phân cực ngang. - Chƣơng 5: Tính toán lý thuyết để nghiên cứu ảnh hƣởng của điện thế đến tính chất từ của vật liệu tổ hợp và vai trò của các yếu tố dị hƣớng lên quá trình định hƣớng mômen từ của vật liệu đa pha sắt cấu trúc micrô - nanô.nano TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các hiệu ứng áp điện, từ giảo và điện từ 1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên đƣợc khám phá vào năm 1880 bởi anh em nhà Curie, Jacques và Pierre Curie, trên các tinh thể khoáng.

Khi chịu tác dụng của lực ngoài, các tinh thể bị phân cực điện, sự phân cực này tỉ lệ với độ lớn và hƣớng của lực tác dụng. Độ nén và độ giãn của các tinh thể sinh ra một điện thế phân cực ngƣợc tỷ lệ với lực đặt vào - đây là hiệu ứng áp điện thuận. Sau đó ngƣời ta cũng quan sát thấy nếu đặt một điện thế lên tinh thể áp điện sẽ xuất hiện một điện trƣờng làm tinh thể dài ra hoặc co ngắn theo sự phân cực của điện trƣờng và tỉ lệ thuận với độ lớn của điện trƣờng. Hiệu ứng này đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện ngƣợc (xem hình 1.1: Hiệu ứng áp điện thuận và ngược 6 (LUAN.nano TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khi chịu tác dụng của ứng suất , do sự xuất hiện của vectơ phân cực điện P nên trong vật liệu sẽ có một điện trƣờng E cùng chiều hoặc ngƣợc chiều với vectơ P và liên hệ: E = -k (1.1) trong đó: k là hệ số đặc trƣng cho vật liệu,  > 0 nếu là ứng suất kéo,  < 0 nếu là ứng suất nén.

Ứng suất áp điện  thƣờng tỉ lệ với cƣờng độ điện trƣờng và dấu của điện trƣờng E, trong khi đó ứng suất điện giảo tỉ lệ bình phƣơng với cƣờng độ điện trƣờng và do đó không phụ thuộc vào hƣớng điện trƣờng. Hệ số thế áp điện g đƣợc tính bằng điện trƣờng tác động lên một vật liệu áp điện trên một đơn vị ứng suất cơ học hoặc là sự biến dạng áp điện thay đổi trên một đơn vị điện trƣờng đặt vào. Chỉ số đầu tiên của hệ số thế áp điện g chỉ hƣớng của điện trƣờng E phát ra trong vật liệu áp điện hoặc hƣớng của điện trƣờng dịch chuyển. Chỉ số thứ hai tƣơng ứng là hƣớng của ứng suất đặt vào hoặc là ứng suất cảm ứng.

Trong các ứng dụng này, ngƣời ta lại mong muốn vật liệu có hệ số g lớn: g = d/T (1.3) Trong vài thập kỉ gần đây, các nghiên cứu trên thế giới về vật liệu áp điện đƣợc tập trung để ứng dụng tính chất điện và tính chất quang của chúng.