CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng quan sát thấy ở một số loại vật liệu, thường ở dạng gốm hoặc đơn tinh thể, có khả năng tạo điện thế khi chịu tác động của một ứng suất cơ học nào đó. Hiệu ứng này được anh em Jacques và Pierre Curie phát hiện lần đầu tiên vào năm 1880 [5]. Theo đó, hiệu điện thế đo được tỉ lệ thuận với lực tác dụng và có thể nhận giá trị âm hay dương tùy thuộc vào tác động nén hay kéo giãn lên vật liệu đó.
Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Một năm sau, hiệu ứng áp điện nghịch được Gabriel Lippmann ghi nhận khi ông đặt vật liệu áp điện vào trong một điện trường để tạo điện thế thì kích thước của vật liệu đó sẽ được kéo dài ra hay co ngắn lại tùy thuộc vào chiều của điện trường [6]. Sang thế kỉ 20, người ta đã xác định được trong 32 lớp tinh thể thì có tới 20 lớp tinh thể được xác định là có khả năng tạo hiệu ứng áp điện. Tất cả các loại tinh thể này đều là hệ tinh thể không có tâm đối xứng.
Cũng cần phải nói thêm rằng điều kiện cần để một vật liệu sở hữu một hiệu ứng thuộc tính tenxơ giống như hiệu ứng áp điện là cấu trúc tinh thể của nó phải không có tâm đối xứng [24]. Bản thân hiệu ứng áp điện có liên quan mật thiết đến sự xuất hiện của các momen lưỡng cực điện bên trong vật liệu. Ở điều kiện bình thường, điện tích âm và điện tích dương trong tinh thể vật liệu áp điện được sắp xếp đối xứng và triệt tiêu lẫn nhau làm cho điện tích của vật liệu được trung hòa. Như chúng ta đã biết, một hệ hai điện tích điểm có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu nhau được gọi là một lưỡng cực điện.
Bất kỳ một tinh thể nào cũng có chứa nhiều đomen điện sắp xếp ngẫu nhiên mà mỗi một đomen điện chỉ chứa các lưỡng cực điện song song với nhau và được định hướng ngẫu nhiên. Để tạo ra sự phân cực tổng cộng trong một mẫu gốm nào đó thì cần định hướng các đomen nói trên bằng cách phân cực hoá. Để làm được điều đó cần đến một điện trường ngoài để định hướng các đomen điện theo hướng của điện trường áp dụng. Khi tác động 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 ------------------------------------------------------------------------------------------------ lực lên tinh thể thì tính đối xứng của tinh thể bị mất đi một phần và các điện tích không còn triệt tiêu nhau hoàn toàn được nữa, do đó tạo thành sự phân cực điện tích âm, dương ở các mặt tinh thể đối diện nhau.
Như vậy, qua phần giới thiệu các khái niệm về tính chất áp điện ở đây, chúng ta cũng nhận thấy các tính chất áp điện với thuộc tính tenxơ của chúng phụ thuộc mạnh vào thành phần, cấu trúc, vi cấu trúc của vật liệu nghiên cứu. Nói cách khác, việc tổng hợp vật liệu áp điện có ảnh hưởng mạnh, có tính chất sống còn lên các phẩm chất áp điện của vật liệu. Tâm điện tích dương Nén Tâm điện tích âm Điện trường ngoài Kéo giãn Hình 1. Sơ đồ mô tả hiệu ứng áp điện nghịch [49].
Vật liệu áp điện và ứng dụng Hiện tượng áp điện được phát hiện lần đầu tiên trong các tinh thể có sẵn trong tự nhiên như thạch anh và tuamalin nhưng cho đến ngày nay, ngày càng có nhiều tinh thể và gốm nhân tạo thể hiện tính chất áp điện. Hiệu ứng áp điện được sử dụng lần đầu tiên trong các thiết bị siêu âm, với các tinh thể tự nhiên được sử dụng làm vật liệu áp điện, cụ thể là tinh thể thạch anh mỏng đã được dùng làm bộ biến đổi cơ sang điện ở trong các máy siêu âm phát hiện tàu ngầm trong chiến tranh thế giới thứ I. Thành tựu 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 ------------------------------------------------------------------------------------------------ này đã thúc đẩy sự quan tâm đến vật liệu áp điện và gợi mở nhiều khả năng ứng dụng của chúng. Trong chiến tranh thế giới lần thứ II, vật liệu sắt điện được phát hiện và hiện tượng sắt điện (ferroelectricity) là cơ sở tạo ra bước tiến lớn cho ngành tổng hợp vật liệu áp điện khi mà lần đầu tiên người ta có thể tổng hợp được gốm áp điện đa tinh thể.
Vật liệu sắt điện có khả năng phân cực điện tự phát mà chiều của phân cực điện đó có thể bị đảo ngược bởi một điện trường bên ngoài. Điều này cho phép tổng hợp gốm đa tinh thể bao gồm một số lượng lớn các đơn tinh thể con. Cần lưu ý rằng, thông thường người ta thu được gốm có các đomen định hướng ngẫu nhiên do đó không có các tính chất áp điện. Nếu tồn tại hiện tượng phân cực điện tự phát thì các đomen này được sắp xếp định hướng song song và trong mẫu gốm sẽ có sự phân cực theo một hướng như là trong vật liệu đơn tinh thể.
Tính phân cực điện tự phát của vật liệu sắt điện được xác định thông qua giá trị mật độ của các momen lưỡng cực trong mỗi đơn vị thể tích hoặc giá trị điện tích trên mỗi đơn vị diện tích ở bề mặt vuông góc với trục phân cực tự phát khi có mặt điện trường bên ngoài. Tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ do khi nhiệt độ tăng, các chuyển động nhiệt tăng, dẫn đến các momen lưỡng cực điện bị mất dần sự định hướng. Sự phân cực điện tự phát giảm dần và biến mất hoàn toàn khi nhiệt độ tăng đến một giá trị xác định nào đó tùy thuộc vào loại vật liệu, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie [30]. Điều này đã mở rộng phạm vi phát triển của vật liệu áp điện và không lâu sau đó, gốm áp điện đã được tổng hợp với các phẩm chất ưu việt thay thế dần các đơn tinh thể tự nhiên trong các ứng dụng áp điện.
Trong đó, các loại gốm có cấu trúc perovskit dần được sử dụng rộng rãi. Các gốm đa tinh thể này có nhiều đơn tinh thể con có cấu trúc tinh thể đồng hình với cấu trúc tinh thể của canxi titanat (hay còn được gọi là kiểu cấu trúc perovskit). Điều đó có nghĩa rằng chúng tồn tại ở hai trạng thái tinh thể; ở trên nhiệt độ Curie, chúng tồn tại ở dạng cấu trúc lập phương đơn giản không có các momen 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 ------------------------------------------------------------------------------------------------ lưỡng cực trong khi ở dưới nhiệt độ Curie sẽ xảy ra sự chuyển dạng thành cấu trúc tứ phương, khi đó sẽ có các momen lưỡng cực tạo ra các đomen điện. Ở trạng thái cấu trúc tứ phương thì gốm có tính chất áp điện khi mà các đomen điện này được sắp xếp song song (hình 1.
(1) Ô mạng cơ sở kiểu lập phương của PZT ở trên nhiệt độ Curie. Mặc dù không phải là gốm sắt điện đầu tiên được ứng dụng làm vật liệu áp điện song hiện nay chì ziriconi titanat với phẩm chất áp điện và có hằng số điện môi cao đang chiếm lĩnh thị trường linh kiện áp điện [14, 21, 22, 43]. Giản đồ pha của PZT [32]. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 ------------------------------------------------------------------------------------------------ Nếu xét về mặt thành phần thì phần lớn gốm PZT đều nằm ở ranh giới phân cách pha thù hình (morphotropic phase boundary, MPB) phân chia pha tứ phương và mặt thoi trên giản đồ pha (hình 1.
Mở rộng phạm vi nghiên cứu, người ta pha tạp vào PZT các tác nhân cho và nhận tạo thành vật liệu PZT “mềm” và “cứng”. Điều này làm thay đổi đáng kể phẩm chất của gốm PZT: gốm PZT “mềm” thì hằng số áp điện và hệ số ghép cặp điện cơ lớn hơn nhưng lại dễ bị làm mất tính phân cực. Ngược lại, gốm PZT “cứng” lại khó bị làm mất tính phân cực và có độ tổn hao điện môi thấp hơn so với gốm PZT “mềm” do đó gốm PZT “cứng” được ứng dụng nhiều hơn [18, 22]. Vật liệu áp điện chủ yếu được sử dụng trong các cảm biến và các bộ dịch chuyển tinh vi (actuator).
Về cơ bản thì các bộ cảm biến tận dụng hiệu ứng áp điện thuận để nhận biết các dao động hay ứng lực của đối tượng nghiên cứu và cho ra tín hiệu điện phản hồi về lực tác động. Ngoài các bộ cảm biến trong kĩ thuật thì cơ chế áp điện tương tự cũng được sử dụng trong micro (dao động âm thanh tới màng áp điện được chuyển thành tín hiệu điện có cường độ và xung tương ứng với dao động âm). Các bộ chuyển dịch tinh vi cũng sử dụng nguyên lý cơ bản như vậy nhưng dựa trên hiệu ứng áp điện nghịch khi mà vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng khi đặt vào một điện trường. Khi sử dụng điện trường cao thế, sự thay đổi về kích thước của tinh thể có thể đạt đến phạm vi micromet.
Điều này cho phép các bộ dịch chuyển tinh vi di chuyển vật thể với độ chính xác rất cao. Trong các kĩ thuật chụp ảnh tiên tiến như kính hiển vi nguyên tử lực, người ta sử dụng hiệu ứng áp điện để điều khiển chính xác khoảng cách từ đầu dò đến mẫu. Thiết bị chuyển đổi xung – điện (transducer) sử dụng cả hai hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Xung điện được chuyển thành rung động cơ học di chuyển ra ngoài và rung động quay lại sẽ được chuyển trở lại thành tín hiệu điện.
Các bộ chuyển đổi xung – điện này hoạt động ở tần số cực kì cao, trên 20.000 Hz, được gọi là bộ chuyển đổi siêu âm. Ở tần số cao như vậy thì thiết bị này sẽ có khả năng chụp ảnh vật thể ở độ phân giải cao (ảnh siêu âm) được 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 ------------------------------------------------------------------------------------------------ sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật ảnh y tế, kiểm tra không phá hủy và siêu âm ngầm dưới nước. Sơ đồ thiết bị chuyển đổi xung – điện siêu âm Langevin [16]. Hiện nay, ngoài những lĩnh vực kể trên, vật liệu áp điện được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực phục vụ cuộc sống chẳng hạn như làm phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh.
Ứng dụng quan trọng hiện nay trong kĩ thuật của vật liệu áp điện là dùng làm động cơ áp điện.