Luận văn Tối ưu tính chất sắt điện của màng mỏng PZT được xử lý nhiệt và kết tinh trong môi trường Ozone

Nội dung tài liệu: Luận văn Tối ưu tính chất sắt điện của màng mỏng PZT được xử lý nhiệt và kết tinh trong môi trường Ozone

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN LỢI TỐI ƢU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA MÀNG MỎNG PZT ĐƢỢC XỬ LÝ NHIỆT VÀ KẾT TINH TRONG MÔI TRƢỜNG OZONE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN LỢI TỐI ƢU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA MÀNG MỎNG PZT ĐƢỢC XỬ LÝ NHIỆT VÀ KẾT TINH TRONG MÔI TRƢỜNG OZONE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH TS. NGUYỄN NGỌC ĐỈNH Hà Nội - 2017
3. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình và TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan trên. Học viên Nguyễn Văn Lợi Trƣờng ĐHKHTN i ĐHQG HN
4. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN và TS. Nguyễn Ngọc Đỉnh Trường Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN và những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình em thực hiện Luận văn Thạc sĩ. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Nguyễn Quang Hòa - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ThS. Đỗ Hồng Minh - Học viện Kỹ thuật Quân sự như những người anh trai đã luôn chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm, đo đạc, và xử lý số liệu. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên trong nhóm nghiên cứu khoa học của TS. Bùi Nguyên Quốc Trình tại trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt quá trình làm thực nghiệm tại Khoa Vật lý - ĐHKHTN và Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano - ĐHCN. Lời sau cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, các anh chị đồng nghiệp, gia đình và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ, động viên em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngà ..30..tháng..1..năm 2018 Học viên Nguyễn Văn Lợi Trƣờng ĐHKHTN ii ĐHQG HN
5. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN ................................................................................... 2 1.1. Cơ sở lý thuyết của vật liệu sắt điện ................................................................. 2 1.1.1. Các khái niệm cơ bản của vật liệu sắt điện ....................................................... 2 1.1.1.1. Tính đối xứng ................................................................................................. 2 1.1.1.2. Hiện tượng sắt điện ......................................................................................... 2 1.1.1.3. Hiện tượng phản sắt điện ................................................................................ 3 1.1.1.4. Hiện tượng hỏa điện ....................................................................................... 4 1.1.1.5. Hiện tượng áp điện ......................................................................................... 5 1.1.2. Lý thuyết chuyển pha sắt điện Ginzburg – Landau ........................................... 6 1.1.3. Đômen sắt điện ................................................................................................ 10 1.1.3.1. Sự hình thành đô men ................................................................................... 10 1.1.3.2. Cấu trúc đô men tĩnh của vật liệu màng mỏng ............................................. 11 1.1.3.3. Phân bố véctơ phân cực ................................................................................ 13 1.1.3.4. Chuyển vách đô men sắt điện ....................................................................... 14 1.2. Tổng quan về vật liệu PZT .............................................................................. 15 1.2.1. Cấu trúc và định hướng ưu tiên ....................................................................... 15 1.2.2. Điều khiển cấu trúc tinh thể của màng mỏng PZT .......................................... 17 1.2.3. Điều khiển tính chất sắt điện của màng mỏng PZT ........................................ 17 1.3. Một số ứng dụng của mảng mỏng PZT .......................................................... 18 1.3.1. Ứng dụng trong linh kiện MEMS và NEMS ................................................... 18 1.3.1.1. Cảm biến MEMS/NEMS .............................................................................. 18 1.3.1.2. Vật liệu chính cho MEMS áp điện ............................................................... 19 Trƣờng ĐHKHTN iii ĐHQG HN
6. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 1.3.2. Ứng dụng trong bộ nhớ FeRAM ..................................................................... 22 1.4. Một số phƣơng pháp chế tạo màng mỏng PZT ............................................. 24 1.4.1. Phương pháp vật lý .......................................................................................... 24 1.4.1.1. Phún xạ ......................................................................................................... 24 1.4.1.2. Ngưng kết xung laser .................................................................................... 25 1.4.2. Phương pháp hóa học ...................................................................................... 26 1.4.2.1. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học ..................................................... 26 1.4.2.2. Phương pháp sol – gel .................................................................................. 27 1.5. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn thạc sĩ ...................................................... 28 CHƢƠNG 2 - THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT ............................................... 30 2.1. Quy trình chế tạo màng mỏng PZT bằng phƣơng pháp Sol-gel.................. 30 2.1.1. Nguyên lý quay phủ spin-coating ................................................................... 30 2.1.2. Dung dịch tiền chất ......................................................................................... 31 2.1.3. Quá trình chế tạo màng mỏng PZT ................................................................. 31 2.1.3.1. Chuẩn bị ....................................................................................................... 31 2.1.3.2. Quy trình chế tạo màng mỏng PZT .............................................................. 32 2.2. Quy trình chế tạo tụ điện sắt điện .................................................................. 33 2.2.1. Hệ phún xạ điện cực Au .................................................................................. 33 2.2.2. Cấu trúc tụ điện sắt điện .................................................................................. 35 2.2.2.1. Chuẩn bị ....................................................................................................... 35 2.2.2.2. Điều kiện ngưng kết điện cực Au ................................................................ 35 2.3. Thiết bị khảo sát các tính chất màng mỏng ................................................... 36 2.3.1. Thiết bị khảo sát cấu trúc tinh thể (XRD) ....................................................... 36 2.3.2. Thiết bị SEM và AFM .................................................................................... 38 2.3.2.1. Kính hiển vi điện tử quét SEM .................................................................... 38 2.3.2.2. Kính hiển vi lực nguyên tử AFM ................................................................. 39 2.3.3. Hệ đo tính chất điện ........................................................................................ 40 2.3.3.1. Nguyên lý phép đo độ phân cực điện ........................................................... 40 2.3.3.2. Nguyên lý của phép đo dòng rò ................................................................... 41 2.3.3.3. Hệ đo điện trễ Radiant Precision LC 10 ...................................................... 42 Trƣờng ĐHKHTN iv ĐHQG HN
7. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi 2.4. Tối ƣu hóa tính chất của màng mỏng PZT .................................................... 43 2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ ............................................................................... 43 2.4.2. Ảnh hưởng của môi trường ủ Ozone .............................................................. 43 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 45 3.1. Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT ................................................................ 45 3.2. Hình thái bề mặt PZT ...................................................................................... 51 3.2.1. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt SEM .......................................................... 51 3.2.2. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt AFM ......................................................... 54 3.3. Hiệu chỉnh kích thƣớc điện cực vàng ............................................................. 56 3.4. Kết quả khảo sát tính chất điện ...................................................................... 58 3.4.1. Đặc trưng điện trễ ............................................................................................ 58 3.4.2. Đặc trưng dòng rò ........................................................................................... 62 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................. 71 Trƣờng ĐHKHTN v ĐHQG HN
8. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử CMOS Complementary Metal-Oxide Bán dẫn ô-xit kim loại bù Semiconductor CVD Chemical vapor deposition Phương pháp lắng đọng từ pha hơi DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ chỉ đọc được lập trình có Read Only Memory thể xóa được bằng điện FeRAM Ferroelectric Random Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt Memory điện MEMS Microelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện micro MOCVD Metal Organic Chemical vapor Lắng đọng pha hơi hóa học sử Deposition dụng tiền chất kim loại - hữu cơ MPB Mophotropic Phase Boundary Biên pha hình thái NEMS Nanoelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện nano NVRAM Non-Volatile Random-Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Memory không bay hơi PECVD Chemical Vapor Deposition Using Lắng đọng pha hơi hóa học sử Plasma Enhanced dụng plasma tăng cường PFM Piezoresponse force microscopy Kính hiển vi lực hồi đáp áp điện PLD Pulsed Laser Deposition Phương pháp laser xung PLZT PZT with Lanthanum doping PZT pha tạp la PZT Lead Zircronate Titanate Pb1.2Zr0.4Ti0.6O3 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Trƣờng ĐHKHTN vi ĐHQG HN
9. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ ... ..35 Bảng 3.1: Các kết quả tính toán được từ ph nhiễu xạ tia X ....50 Bảng 3.2: Độ giãn nở vì nhiệt của các màng mỏng . .61 Trƣờng ĐHKHTN vii ĐHQG HN
10. Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Văn Lợi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện [29]. ............................................... 3 Hình 1.2: Đường cong phản sắt điện. EEext c biến đ i thành chất sắt điện. .............. 4 Hình 1.3: Bản tinh thể hỏa điện với véctơ phân cực P và bản cực A, sự thay đ i nhiệt độ sẽ dẫn tới dòng điện i thay đ i. .................................................................................... 4 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hiệu ứng áp điện thuận và áp điện nghịch [14]. ............. 5 Hình 1.5: Năng lượng tự do là hàm của độ phân cực đối với hệ sắt điện trong chuyển pha loại hai [1]. ................................................................................................................. 8 Hình 1.6: Năng lượng tự do là hàm của độ phân cực đối với hệ sắt điện trong chuyển pha loại một. ...................................................................................................................... 9 Hình 1.7: Sự phụ thuộc của độ cảm điện môi và hằng số điện môi vào nhiệt độ đối với chuyển pha loại một [1]. .................................................................................................. 10 Hình 1.8: Cấu trúc đô men PZT cấu trúc tứ giác với định hướng khác nhau [28]. ........ 12 Hình 1.9: a) Đặc trưng điện dung (C-V) và b) Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện [5]. ................................................................................................................................... 13 Hình 1.10: Giản đồ pha hệ Pb(ZrxTi1-xO3), 0 x 1[4]. ................................................ 16 Hình 1.11: Cấu trúc tinh thể PZT theo nhiệt độ. ............................................................ 16 Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ Zr:Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của PZT [33]. ................................................................................................................................. 17 Hình 1.13: Cấu trúc tinh thể wurtzite của ZnO [3]. ....................................................... 20 Hình 1.14: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3. .................. 20 Hình 1.15: Các cảm biến thông dụng và mô hình dẫn động trong hệ vi cơ điện tử áp điện [20]. ......................................................................................................................... 21 Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM [32]. ........................................... 22 Hình 1.17: Nguyên lý phún xạ. Hệ phún xạ cao áp một chiều [22]. .............................. 24 Hình 1.18: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung [22]. ............................................................ 25 Hình 1.19: Các sản phẩm của kỹ thuật sol-gel [25]. ...................................................... 27 Hình 2.1: Quá trình quay phủ. ........................................................................................ 30 Hình 2.2: Dụng cụ và hóa chất dùng để chế tạo màng PZT. .......................................... 31 Hình 2.3: Lò ủ nhiệt chậm, phòng thí nghiệm trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. ...................................................................................................... 32 Hình 2.4: Quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm. ....................... 32 Hình 2.5: (a) Hình ảnh mẫu sau khi ủ nhiệt, (b) chi tiết các lớp của mẫu. .................... 33 Hình 2.6: Máy phún xạ cao áp một chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. ...................................................................................................... 34 Hình 2.7: Phún xạ cao áp một chiều. .............................................................................. 34 Hình 2.8: a) Màng PZT sau khi ủ nhiệt; b) Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực. ..... 35 Hình 2.9: (a) Hình ảnh chụp mẫu sau khi phủ điện cực Au; (b) Cấu trúc tụ điện sắt điện Au/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si. ................................................................................................ 36 Hình 2.10: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể. ........................... 37 Hình 2.11: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU. .................. 37 Hình 2.12: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM. ............................................ 38 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý và sự tạo ảnh trong SEM. .................................................. 38 Hình 2.14: (a) Hình ảnh chụp khi đo ph lực AFM, (b) Sự biến đ i của lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách. ............................................................... 40 Trƣờng ĐHKHTN viii ĐHQG HN