Luận án tiến sĩ vật liệu và linh kiện nano chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp từ điện với lớp từ giảo có cấu trúc nano và vô định hình dùng cho cảm biến từ trường micro tesla

Luận án tiến sĩ về vật liệu và linh kiện nano: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp từ điện, lớp từ giảo cấu trúc nano ứng dụng cảm biến từ trường micro tesla.

• Tác giả: Phạm Anh Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thị Hương Giang
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội - Trường Đại Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Vật Liệu Tổ Hợp Từ - Điện Với Lớp Từ Giảo Có Cấu Trúc Nano Và Vô Định Hình Dùng Cho Cảm Biến Từ Trường Micro - Tesla
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU SẮT TỪ, SẮT ĐIỆN VÀ MULTIFERROIC
• 1.1. Vật liệu sắt điện
• 1.2. Vật liệu sắt từ và hiệu ứng từ giảo
• 1.3. Vật liệu multiferroic
• 1.4. Tổng quan về hiệu ứng từ-điện
• 1.5. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ-điện
• 1.6. Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo vật liệu dạng màng TbFeCo/PZT bằng phương pháp phún xạ
• 2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp Metglas/PZT dạng tấm
• 2.3. Khảo sát tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung
• 2.4. Hệ đo từ giảo
• 2.5. Phương pháp tính hệ số thế từ-điện thuận
• 2.6. Khảo sát hình thái bề mặt bằng hiển vi điện tử và hiển vi lực nguyên tử
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN TbFeCo/PZT DẠNG MÀNG VỚI LỚP VẬT LIỆU TỪ GIÁO CÓ CẤU TRÚC NANO
• 3.1. Vật liệu tổ hợp với lớp từ giảo ở trạng thái vô định hình
• 3.2. Cấu trúc tinh thể của lớp từ giảo
• 3.3. Tính chất từ và từ giảo của màng TbFeCo
• 3.4. Tính chất từ-điện của vật liệu tổ hợp
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP TỪ GIÁO CÓ CẤU TRÚC VÔ ĐỊNH HÌNH
• 4.1. Tính chất từ của băng từ Metglas
• 4.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm
• 4.3. Mô hình dao động một chiều và hai chiều
• 4.4. Ảnh hưởng của cấu hình bilayer và sandwich
• 4.5. Ảnh hưởng của chiều dày lớp từ giảo Metglas
• 4.6. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN
• 5.1. Cảm biến từ trường dựa trên màng mỏng TbFeCo có cấu trúc nano
• 5.2. Cảm biến từ trường dựa trên băng từ Metglas có cấu trúc vô định hình
• 5.3. Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến đo từ trường
• 5.4. Khảo sát các thông số làm việc của cảm biến
• 5.5. Kết luận chương 5
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Tổ Hợp Từ Điện Nano Cảm Biến Micro Tesla

Vật liệu tổ hợp từ-điện nano đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực cảm biến từ trường, đặc biệt là các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao ở mức Micro-Tesla. Hiệu ứng từ-điện cho phép chuyển đổi trực tiếp giữa từ trường và điện trường, mở ra tiềm năng cho các thiết bị cảm biến nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và có độ chính xác cao. Nghiên cứu về các vật liệu này tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu ứng từ-điện thông qua việc kiểm soát cấu trúc nano và thành phần vật liệu. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm ứng dụng y sinh, ứng dụng công nghiệp, và các lĩnh vực đòi hỏi đo lường từ trường yếu một cách chính xác. Theo Phạm Anh Đức, "Luận án này được hoàn thành với sự hỗ trợ một phần của Đề tài thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ..."

1.1. Giới Thiệu Vật Liệu Tổ Hợp Đa Pha cho Cảm Biến Từ Trường

Vật liệu tổ hợp đa pha kết hợp các đặc tính ưu việt của hai hay nhiều pha vật liệu khác nhau, ví dụ như vật liệu áp điện và vật liệu từ giảo. Sự kết hợp này cho phép tạo ra hiệu ứng từ-điện mạnh mẽ hơn so với vật liệu đơn pha. Việc điều chỉnh cấu trúc nano của các pha vật liệu và giao diện giữa chúng là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến từ trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng vật liệu composite có cấu trúc nano để nâng cao độ nhạy cảm biến. Sự kết hợp của các pha vật liệu tạo ra sự tương tác và tăng cường lẫn nhau.

1.2. Vai Trò Của Vật Liệu Nano Trong Cảm Biến Từ Trường Micro Tesla

Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của cảm biến từ trường Micro-Tesla. Kích thước nhỏ của các hạt nano làm tăng diện tích bề mặt, dẫn đến sự gia tăng đáng kể của hiệu ứng từ-điện. Công nghệ nano cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc nano của vật liệu, từ đó điều chỉnh các đặc tính từ tính và điện môi. Việc tổng hợp vật liệu nano đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến như phún xạ, lắng đọng pha hơi, và sol-gel. Các vật liệu nano được sử dụng phổ biến bao gồm vật liệu perovskite, vật liệu ferrite, và các vật liệu áp điện.

II. Thách Thức Giải Pháp Chế Tạo Vật Liệu Nano Từ Điện Nhạy

Mặc dù tiềm năng của vật liệu tổ hợp từ-điện nano là rất lớn, nhưng việc chế tạo và ứng dụng chúng vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là làm thế nào để đạt được hiệu ứng từ-điện mạnh mẽ và ổn định. Các yếu tố như cấu trúc nano, thành phần vật liệu, và quy trình chế tạo có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cảm biến từ trường. Ngoài ra, việc giảm thiểu nhiễu và cải thiện tính ổn định của cảm biến cũng là những vấn đề quan trọng cần giải quyết. Giải pháp bao gồm việc phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu nano tiên tiến, tối ưu hóa cấu trúc composite, và sử dụng các kỹ thuật bảo vệ và bù trừ nhiễu.

2.1. Khó Khăn Trong Kiểm Soát Cấu Trúc Nano và Hiệu Ứng Từ Điện

Việc kiểm soát chính xác cấu trúc nano của vật liệu tổ hợp từ-điện là một thách thức lớn. Các yếu tố như kích thước hạt nano, sự phân bố hạt, và định hướng tinh thể có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng từ-điện. Sự không đồng nhất trong cấu trúc nano có thể dẫn đến sự suy giảm độ nhạy cảm biến. Các kỹ thuật như kỹ thuật chế tạo vật liệu nano phải được tối ưu hóa để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của vật liệu nano.

2.2. Giải Pháp Tối Ưu Hóa Hiệu Ứng Từ Điện Trong Vật Liệu Nano

Để vượt qua những thách thức trong kiểm soát cấu trúc nano, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu nano tiên tiến. Các kỹ thuật như phún xạ, lắng đọng pha hơi, và sol-gel cho phép kiểm soát chính xác kích thước, hình dạng, và thành phần của các hạt nano. Ngoài ra, việc sử dụng các chất phụ gia và xử lý nhiệt cũng có thể giúp cải thiện hiệu ứng từ-điện và tính ổn định của cảm biến. Mục tiêu là tối ưu hóa hiệu ứng từ-điện trong vật liệu composite bằng cách điều chỉnh cấu trúc nano và thành phần vật liệu.

III. Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Từ Điện Nâng Cao Độ Nhạy

Việc chế tạo màng mỏng vật liệu tổ hợp từ-điện là một phương pháp hiệu quả để tạo ra cảm biến từ trường có kích thước nhỏ và độ nhạy cao. Màng mỏng có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phún xạ, lắng đọng pha hơi, và spin coating. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp phụ thuộc vào thành phần vật liệu và yêu cầu về cấu trúc nano. Màng mỏng từ-điện thường được cấu trúc dưới dạng lớp đơn hoặc đa lớp để tối ưu hóa hiệu ứng từ-điện. Độ dày của màng mỏng và chất lượng giao diện giữa các lớp có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cảm biến từ trường.

3.1. Kỹ Thuật Phún Xạ Magnetron Ưu Điểm và Ứng Dụng Chế Tạo

Kỹ thuật phún xạ magnetron là một phương pháp phổ biến để chế tạo màng mỏng vật liệu tổ hợp từ-điện. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác thành phần và độ dày của màng mỏng. Quá trình phún xạ diễn ra trong môi trường chân không cao, giúp giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra màng mỏng có chất lượng cao. Kỹ thuật này phù hợp để chế tạo màng mỏng vật liệu nano với cấu trúc nano được kiểm soát. Các thông số phún xạ như công suất, áp suất khí, và nhiệt độ có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa đặc tính từ-điện của màng mỏng.

3.2. Lắng Đọng Pha Hơi Hóa Học CVD cho Vật Liệu Từ Điện

Lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật khác để chế tạo màng mỏng vật liệu tổ hợp từ-điện. Phương pháp này sử dụng các tiền chất hóa học ở dạng hơi để tạo ra màng mỏng trên bề mặt đế. CVD có thể tạo ra màng mỏng có độ phủ tốt và cấu trúc nano phức tạp. Nhiệt độ và áp suất trong quá trình CVD có thể được điều chỉnh để kiểm soát tốc độ lắng đọng và chất lượng màng mỏng. CVD thích hợp để chế tạo màng mỏng vật liệu perovskite và các vật liệu áp điện khác.

IV. Nghiên Cứu Vật Liệu Tổ Hợp Terfecohan PZT cho Cảm Biến

Nghiên cứu của Phạm Anh Đức tập trung vào vật liệu tổ hợp Terfecohan/PZT, một sự kết hợp giữa vật liệu từ giảo Terfecohan và vật liệu áp điện PZT, cho cảm biến từ trường Micro-Tesla. Terfecohan có độ từ giảo cao, trong khi PZT có hiệu ứng áp điện mạnh. Sự kết hợp này tạo ra hiệu ứng từ-điện đáng kể, phù hợp cho các ứng dụng cảm biến. Nghiên cứu khám phá ảnh hưởng của cấu trúc nano, nhiệt độ ủ, và thành phần vật liệu đến hiệu suất của cảm biến từ trường. Các kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh cấu trúc nano có thể cải thiện đáng kể độ nhạy cảm biến. Theo Phạm Anh Đức, các nghiên cứu là do chính anh thực hiện, bản luận án do anh viết và không sao chép từ các tài liệu sẵn có.

4.1. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Ủ Đến Đặc Tính Từ Điện Của Màng Terfecohan

Nhiệt độ ủ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính từ-điện của màng Terfecohan. Việc ủ nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc nano và độ kết tinh của màng, từ đó ảnh hưởng đến từ tính và từ giảo. Nghiên cứu cho thấy rằng việc ủ nhiệt ở nhiệt độ tối ưu có thể cải thiện độ nhạy cảm biến. Việc ủ nhiệt quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy pha và suy giảm hiệu ứng từ-điện.

4.2. Đánh Giá Độ Nhạy Của Cảm Biến Terfecohan PZT Trong Dải Micro Tesla

Việc đánh giá độ nhạy cảm biến trong dải Micro-Tesla là rất quan trọng để xác định tính khả thi của cảm biến từ trường. Độ nhạy cảm biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu ứng từ-điện, độ phân giải cảm biến, và giới hạn phát hiện. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp đo lường từ trường chính xác để đánh giá độ nhạy cảm biến và xác định các yếu tố giới hạn hiệu suất. Mục tiêu là tạo ra cảm biến từ trường độ nhạy cao có thể phát hiện từ trường yếu một cách chính xác.

V. Ứng Dụng Cảm Biến Từ Trường Nano Y Sinh và Công Nghiệp

Các cảm biến từ trường dựa trên vật liệu tổ hợp từ-điện nano có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực ứng dụng y sinh, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu sinh học từ tính, chẩn đoán bệnh, và theo dõi sức khỏe. Trong lĩnh vực ứng dụng công nghiệp, chúng có thể được sử dụng để kiểm tra không phá hủy, đo lường dòng điện, và giám sát quá trình sản xuất. Kích thước nhỏ và độ nhạy cao của cảm biến từ trường nano làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng di động và nhúng.

5.1. Cảm Biến Từ Trường Nano Cho Chẩn Đoán và Điều Trị Y Sinh

Trong lĩnh vực ứng dụng y sinh, cảm biến từ trường nano có thể được sử dụng để phát hiện các hạt từ nano gắn với các tế bào ung thư hoặc các phân tử sinh học khác. Việc phát hiện từ trường yếu phát ra từ các hạt từ nano cho phép chẩn đoán bệnh ở giai đoạn sớm và theo dõi hiệu quả điều trị. Cảm biến từ trường cũng có thể được sử dụng để hướng dẫn các hạt từ nano đến vị trí mục tiêu trong cơ thể để thực hiện các phương pháp điều trị nhắm trúng đích.

5.2. Giám Sát Quy Trình Sản Xuất Với Cảm Biến Từ Trường Độ Nhạy Cao

Trong lĩnh vực ứng dụng công nghiệp, cảm biến từ trường có thể được sử dụng để giám sát các quy trình sản xuất. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các khuyết tật trong vật liệu, đo lường dòng điện trong mạch điện, và kiểm soát chất lượng sản phẩm. Cảm biến từ trường độ nhạy cao cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong từ trường, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng của quy trình sản xuất.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Từ Điện Bước Đột Phá Mới

Nghiên cứu về vật liệu tổ hợp từ-điện nano và cảm biến từ trường Micro-Tesla vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc phát triển các vật liệu mới có hiệu ứng từ-điện mạnh mẽ hơn, tối ưu hóa cấu trúc nano để cải thiện độ nhạy cảm biến, và phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Ngoài ra, việc tích hợp cảm biến từ trường nano với các hệ thống điện tử khác cũng là một hướng đi quan trọng để tạo ra các thiết bị thông minh và đa chức năng.

6.1. Vật Liệu Mới Cho Cảm Biến Từ Trường Tối Ưu Hiệu Suất

Việc phát triển các vật liệu nano mới với đặc tính từ-điện vượt trội là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các vật liệu perovskite mới, các hợp chất từ tính, và các vật liệu áp điện có tiềm năng cải thiện hiệu ứng từ-điện. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu có độ nhạy cảm biến cao hơn và tính ổn định tốt hơn.

6.2. Tích Hợp Cảm Biến Từ Trường Nano Với Hệ Thống Điện Tử

Việc tích hợp cảm biến từ trường nano với các hệ thống điện tử khác là một bước quan trọng để tạo ra các thiết bị thông minh và đa chức năng. Các cảm biến từ trường có thể được tích hợp với vi mạch, bộ vi xử lý, và các thiết bị không dây để tạo ra các hệ thống giám sát và điều khiển từ xa. Việc tích hợp cũng cho phép xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu một cách hiệu quả, mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TÔNG QUAN 1. Vật liệu sắt từ, sắt điện và multiferroic Khái niệm vật liệu multiferroic lần đầu tiên được sử dụng bởi H. Vật liệu multiferroic là vật liệu có hai hoặc nhiều hơn các tính chất sắt cơ bản trong cùng một pha vật liệu. Các tính chất sắt cơ bản bao gom: * Tinh chat sắt điện: là tính chất của vật liệu sắt điện có độ phân cực tự phát ngay cả khi không có điện trường ngoài.

Độ phân cực điện này 6n định theo thời gian và có thê có hiện tượng tré dưới tác động của điện trường ngoài. * Tính chất sắt từ: là tính chất của vật liệu sắt từ có từ độ tự phát ngay cả khi không có từ trường ngoài. Từ độ này ôn định theo thời gian và có thé có hiện tượng trễ dưới tác động của từ trường ngoài. * Tính chất sắt đàn hồi: là tính chất của vật liệu sắt đàn hồi có độ biến dang tự phát ngay cả khi không có ứng suất ngoài.

Độ biến dang này ổn định theo thời gian và có thê có hiện tượng trễ dưới tác động của ứng suất ngoại. Theo định nghĩa trên thì có rất nhiều loại vật liệu multiferroic khác nhau. Vật liệu multiferroic mà có tồn tại đồng thời cả hai tính chat sắt điện và sắt từ có rất nhiều tính chất lý thú đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và triên khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Vật liệu sắt điện và hiệu ứng ap điện 1.

Vật liệu sắt điện Hiện tượng sắt điện lần đầu tiên được phát hiện bởi J. Valasek vào năm 1921 trên muối Rochelle (muối xenhet) [54]. Sắt điện được định nghĩa là vật liệu có câu trúc tinh thê với độ phân cực điện tự phát. Hướng của véc tơ phân cực điện tự phát này có thể thay đôi theo điện trường ngoài.

Độ phân cực điện được định nghĩa là tổng các mômen phân cực điện trong một đơn vị thể tích. Cần phân biệt rõ ràng về sự khác nhau giữa các khái niệm: phân cực nguyên tử, phân cực ion và phân cực phân tử. Phân cực nguyên tử xuất hiện do sự thay đối khoảng cách giữa tâm điện tích âm va tâm điện tích dương trong nguyên tử trung hòa khi có tác dụng của điện trường ngoài (hình 1. Véc tơ phân cực nguyên tử được ký hiệu 1a Pe.

Đối với các vật liệu có tồn tại các ion, véc tơ phân cực điện hình thành từ các ion dương va ion âm lân cận nhau (hình 1. Véc tơ phân cực điện trong trường hợp này có phương năm trên đường thăng nối hai ion và có chiều từ ion âm sang ion dương. Véc tơ phân cực ion được ký hiệu là P;. Dang thứ ba của hiện tượng phân cực là phân cực phân tử và được ký hiệu là P„.

Phân cực phân tử xuất hiện trong các phân tử có các mômen phân cực tự phát (hình 1. Trong các phân tử này luôn luôn tồn tại một sự tách biệt giữa các phần điện tích âm (ở) và điện tích dương (6*). Các véc tơ phân cực này có thê sắp xếp theo hướng của điện trường ngoài.1: Các dang phân cực khác nhau: phân cực nguyên tử (a), phân cực ion (b) và phân cực phân tử (c) Đối với một số vật liệu, dạng thứ tư của hiện tượng phân cực điện cũng được biết đến và được gọi là phân cực điện tích không gian. Dạng phân cực điện này có nguồn gốc từ các hạt tải điện tự do có trong vật liệu.

Khi chuyên động của các hạt tải điện này bị cản trở bởi sự tán xạ với các sai hỏng mạng và bê mặt vật liệu làm xuất hiện điện tích không gian và hình thành ra các véc tơ phân cực điện tích không gian [31]. Vật liệu sắt điện có rất nhiều ứng dụng khác nhau như: bộ nhớ đệm (RAM), cảm biến hỏa điện, cảm biến siêu âm và thiết bị truyền động. - Phân loại theo số các phương có thể có của độ phân cực tự phát: đơn trục (KHzPO¿, muối xenhet) va đa trục (BaTiO3 và Cd2Nb207). - Phân loại theo sự có hoặc không có tâm đối xứng.

- Phân loại theo sự biến đổi ở nhiệt độ chuyên pha Curie. Dé giải thích cho độ phân cực tự phát của vật liệu sat điện, khái niệm vê đômen được đưa ra. Đômen được hiêu là một vùng không gian mà tại đó các véc tơ phân cực điện đông nhât cả vê phương và chiêu. Các vách đômen là ranh giới giữa các đômen khác nhau.2: Vật liệu da đômen (a), sự dich chuyển vách đômen (b), vật liệu đơn đômen (c) và sự quay đômen (đ) Thông thường các vật liệu sắt điện có tồn tại nhiều đômen và các đômen này không sắp xếp song song với nhau trong toàn bộ vật liệu (hình 1.

Khi có điện trường ngoài, các đômen có véc tơ phân cực điện cùng hướng với điện trường ngoài sẽ mở rộng ra và các đômen ngược hướng điện trường sẽ thu hẹp lại. Trạng thái đơn đômen thường chỉ xuất hiện bằng các biện pháp kỹ thuật chăng hạn như phương pháp ép cơ khí. Bên cạnh đó thì các yếu tố như điện trường phân cực, nhiệt độ và thời gian gia công cũng ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình. Vật liệu sắt điện có một đặc trưng quan trọng đó là nhiệt độ chuyền pha Curie 7c.

Các tính chất sắt điện chỉ tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie. Ví dụ với vật liệu BaTiO; có nhiệt độ Curie Tc = 393 K. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie thì cau trúc tinh thé là dạng lập phương với ion Ba? ở các góc, ion O2 ở tâm các mặt và ion Ti* ở vị trí tâm hình lập phương (hình 1.3a), khi đó không tồn tại véc tơ phân cực điện. Khi nhiệt độ vật liệu thấp hơn nhiệt độ Curie, cầu trúc tinh thé thay đổi, các ion O2 và Ti** có sự chuyền động tương đối với nhau và sinh ra một mômen lưỡng cực điện doc theo cạnh của tinh thể (hình 1.3: Cấu trúc tinh thể BaTiO3 khi nhiệt độ cao (T > Tc) (a) và khi nhiệt độ thấp (T < Tc) (b) Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện thường có dạng như hình 1.

Đường cong điện trễ mô tả sự phụ thuộc của độ phân cực của vật liệu theo điện trường ngoài. Khi có một điện trường tác dụng vào mẫu thì mẫu sẽ bị phân cực điện theo phương của điện trường ngoài. Tuy nhiên khi giảm điện trường ngoài về giá trị không thì mẫu vẫn còn tồn tai một độ phân cực. Độ phân cực này được gọi là độ phân cực dư và ký hiệu là P;.

Giá trị của độ phân cực dư phụ thuộc vào các trạng thái đômen tồn tại trong tinh thể. Độ phân cực của mẫu sẽ bị triệt tiêu 7 nếu tiếp tục tác dụng một điện trường ngược chiều với điện trường ban đầu đến giá tri Ec. Giá tri Ec được gọi là lực kháng điện. Khi tất cả các đômen trong tinh thé có cùng hướng với điện trường ngoài thì ta gọi vật liệu ở trạng thái phân cực bão hòa.

Giá trị độ phân cực bão hòa được ký hiệu là Ps. Cường độ điện trường của điện trường ngoài cần thiết để vật liệu đạt trạng thái phân cực bão hòa được gọi là điện trường bão hòa Es. Đối với vật liệu da tinh thé thì vật liệu chỉ có thé phân cực một phần và do đó độ phân cực bào hòa của chúng là nhỏ hơn so với của các vật liệu đơn tinh thé [20].4: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện 1. Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai nhà vật lý người Pháp là Jacques Curie va Pierre Curie [59].

Hiệu ứng này được hiểu là có sự thay đổi độ phân cực điện của vật liệu áp điện khi vật liệu bị biến dang cơ học hoặc vật liệu sẽ bị biến dạng cơ học nếu chịu tác dụng của điện trường ngoài (làm thay đôi độ phân cực điện) (hình 1. Mối liên hệ giữa ứng suất tác dụng của ngoại lực với vec tơ phân cực điện thứ cấp được thé hiện thông qua công thức [68]: 6 (1.1) R=) djx- Ox k=1 Trong đó: P; là độ lớn véc tơ phân cực điện (C/m”), ox là ứng suất tác dụng (N/m?) và djx là hệ số áp điện theo phương tac dụng luc (C/N). Ngược lại, nếu đặt vào vật liệu áp điện một điện trường có cường độ điện trường là E thì vật liệu áp điện sẽ bi biến dạng theo công thức: 6 (1.2) Trong đó: ex là độ biến dang tỷ đối của vật liệu, E; là cường độ điện trường tác dụng vào vật liệu (V/m) và đ” là hệ số áp điện theo phương tác dụng lực (m/V).5: Mô tả hiệu ứng áp điện: phân cực tự phát (a), phân cực khi chịu ứng suất nén (b), phân cực khi chịu ứng suát kéo (c) Các vật liệu áp điện đã và đang được nghiên cứu rất đa dạng về chủng loại và số lượng như: vật liệu dang đơn tinh thé (thạch anh, 1/TaO›, LiNbO3, PZN — PT .), vật liệu dạng gốm (Pb(ZrTi)O3 — PZT, PbTiO› — PT .), vật liệu polymer (PVDF va copolymer, nylon .), vật liệu mang mong (PZT, PT, ZnO va màng AIN), vật liệu hỗn hợp — composite (hỗn hợp PZT — polymer 0 — 3, 2 — 2, 1 — 3) (Hinh 1. Với lich sử phat trién của mình, vật liệu áp điện đã được ứng dung vào rat nhiều lĩnh vực trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn cuộc sống.

Điển hình phải kê đên các ứng dụng vê màng rung, vi cảm biên (gia toc, sóng siêu âm .), máy phát điện, MEMS, vi bom, máy in .[69,86] Với các ưu điểm của minh thì vật liệu áp điện Pb(TiZr)O3 (PZT) đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Các ưu điểm nỗi trội của vật liệu ap điện PZT bao gồm: hệ số áp điện lớn, điện dung cao (vi vậy ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh), độ bền cơ học cao và dễ gia công. Trong thời gian gần đây, vật liệu áp điện PZT đã và đang được thương mại hóa với nhiều chủng loại khác nhau và giá thành ngày cảng hợp lý.6: Hỗn hop PZT — polymer được phân loại theo các kiểu liên kết khác nhau: (a) 0 — 3, (b)2—2,(c)T- 3 Vật liệu áp điện về co bản là vật liệu dang gốm va có cấu trúc dang Perovskite. Các vật liệu có cấu trúc dạng Perovskite là vật liệu có cả tính chất sắt điện và áp điện.

Các vật liệu này có số lượng rất lớn nên chúng đang được quan tâm nghiên cứu nhiều. Theo định nghĩa, vật liệu có cau trúc Perovskite là các vật liệu có cấu trúc tinh thể tương tự với cấu trúc của CaTiO;.