Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện sắt từ BifeO3 bằng phương pháp phản ứng pha rắn

Sự tăng trưởng của vi điện tử thường được tổng kết theo quy luật Moore có nói rằng công năng bộ vi xử lý tăng lên gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng. Nhờ linh kiện điện tử ngày càng bé lại mà mỗi chip đóng được ngày càng nhiều phần tử logic hơn. Năm 1960 một transistor rộng gần 80 000 nm thì đến 2002 nó bé còn gần 100 nm, và mật độ đạt 106 transistor trên một chip.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu sắt điện sắt từ BifeO3 bằng phương pháp phản ứng pha rắn T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN- SẮT TỪ BiFeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG PHA RẮN Nguyễn Văn Đăng - Bùi Thị Bích (Khoa KH Tự nhiên & Xã hội- ĐH Thái Nguyên) Nguyễn Thanh Ngọc - Lê Văn Hồng (Viện Khoa học Vật liệu - Viện KH&CN Việt Nam) 1. Mở đầu Sự tăng trưởng của vi điện tử thường được tổng kết theo quy luật Moore có nói rằng công năng bộ vi xử lý tăng lên gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng. Nhờ linh kiện điện tử ngày càng bé lại mà mỗi chip đóng được ngày càng nhiều phần tử logic hơn. Năm 1960 một transistor rộng gần 80 000 nm thì đến 2002 nó bé còn gần 100 nm, và mật độ đạt 106 transistor trên một chip. Dự đoán đến 2008 kích thước một transistor trong chip sẽ đạt khoảng 40 nm, vượt kích thước tới hạn sang vùng các hiệu ứng nanô của bán dẫn. Tới một lúc nào đó kích thước này sẽ là mức nguyên tử và chúng ta sẽ phải đứng trước thách thức không thể tránh được của nguyên lý vật lý lượng tử đối với linh kiện chất rắn. Về mặt kinh tế, công nghệ mạch bán dẫn với kích thước linh kiện transistor bé đến cỡ chục nanômet sẽ là rất đắt (vốn đầu tư cho một dây chuyền công nghệ kiểu này sẽ tốn khoảng 33 tỷ USD). Như vậy, công nghệ bán dẫn truyền thống trong 5-10 năm tới sẽ đứng trước thách thức lớn cả về mặt nguyên lý vật lý và cả về mặt kinh tế. Trước tình hình này, từ những năm 1990 trở lại đây các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tạo nên được những linh kiện đa chức năng (ví dụ xử lý và tích trữ dữ liệu trên cùng một chip). Vì những lý do trên đây, mà các vật liệu có cấu trúc perovskite như BiFeO3, BiMnO3, TbMnO3, YMnO3 … đang được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây. Bởi vì, chúng thể hiện đặc trưng đồng tồn tại cả tính sắt từ và sắt điện (Ferroelectromagnet) [1-2-3]. Vật liệu BiFeO3 , ngoài tính sắt điện (điện môi, áp điện...) với độ phân cực điện tự phát Ps lớn, nhiệt độ Curie cao (TC ~1100K), đặc biệt là độ phân cực điện dư rất cao đến 150µC/cm2 [1-2-5-6] (hứa hẹn khả năng ứng dụng làm các biến tử thu phát sóng siêu âm, các bộ lọc, bộ cộng hưởng cao tần, các bộ vi dịch chuyển...), nó còn thể hiện là một chất sắt từ (từ trở khổng lồ, tái định hướng spin, thủy tinh spin, trật tự điện tích...) với mômen từ tự phát Ms với nhiệt độ Néel tương đối cao (TN ~ 673K) [2] (hứa hẹn khả năng ứng dụng trong các thiết bị đọc và ghi từ tốc độ cao). Đặc biệt với đặc trưng đồng tồn tại cả tính sắt từ và tính sắt điện, chúng đang là đối tượng nghiên cứu rất được quan tâm cho vật liệu chế tạo các linh kiện đa chức năng, tổ hợp nhiều tính chất trên 1 chíp điện tử. Một trở ngại lớn cho ứng dụng của vật liệu BiFeO3 là do điện trở của nó ở nhiệt độ phòng rất thấp nên các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng sắt điện và sắt từ ở nhiệt độ phòng rất nhỏ. Mặt khác, việc chế tạo được vật liệu BiFeO3 đơn pha là rất khó vì hình thành đồng thời với nó còn có thể xuất hiện các pha trung gian như Bi2Fe4O9, Bi25Feo40, Bi36Fe2O57, Bi46Fe2O72 [3]. Từ năm 2000 trở lại đây, vật liệu BiFeO3 rất được quan tâm nghiên cứu trên thế giới nhưng ở Việt Nam hiện vẫn chưa có công bố nào về vật liệu này. Chúng tôi xin công bố những kết quả mới nhất trong quá trình nghiên cứu chế tạo chế tạo vật liệu BiFeO3 đơn pha trong thời gian qua. 2. Thực nghiệm Để biết quá trình hình thành pha của BiFeO3, chúng tôi dựa vào kết quả phân tích nhiệt vi sai ( DSC) của các tác giả Y P Wang , G L Yuan [3] (hình 1). Trong dải nhiệt độ từ 30 - 8900C có 3 điểm chuyển pha 371,90C, 778,10C và 830,90C. Trong đó, nhiệt độ chuyển pha đo được tại 371.90C và 830.90C tương ứng với chuyển pha phản sắt từ và sắt từ. 85 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 3(43)/N¨m 2007 Còn nhiệt độ 778,10C tương ứng với nhiệt độ chuyển pha sắt điện của vật liệu [3]. Bằng phương pháp phản ứng pha rắn, các hợp chất ban đầu là Fe2O3 và Bi2O3 với độ sạch trên 99,9% được cân theo danh định, nghiền trộn, ép thành viên và nung thiêu kết theo hai qui trình: + Mẫu nung ở 8300C, với các thời gian là 5 phút, 3 phút, 2,5 phút, 2 phút, 30 giây (hình 2). + Mẫu nung ở các nhiệt 830 0 C, 850 0 C, 880 0 C, 920 0 C trong thời gian 2 phút (hình 3). Hình 1: Giản đồ phân tích nhiệt vi sai của BiFeO3 Nhiệt độ khảo sát Nhiệt độ Nhiệt độ 8300C t/g giữ nhiệt 50C/ phút 0 25 C 2 phút 0 25 C 170 phút Thời gian Hình 2: Giản đồ khảo sát nung mẫu thay đổi theo thời gian Thời gian Hình 3 : Giản đồ khảo sát nung mẫu thay đổi theo nhiệt độ Độ sạch pha và cấu trúc của vật liệu được nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên nhiễu xạ kế SIEMENS D5000. Tia X đơn sắc được dùng trong phép đo là bức xạ đặc trưng K α 1 của Cu có bước sóng là 1,5406 A0. Các phép đo từ và điện được thực hiện trên hệ PPMS 6000 tại phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và linh kiện- Viện KHVL- Viện KH&CN Việt Nam. 3. Kết quả và thảo luận Giản đồ quét nhiệt vi sai của BiFeO3 (hình 1) cho thấy: Khi khảo sát quá trình tạo pha BiFeO3 từ các phối liệu ban đầu là Fe2O3 và Bi2O3 trong dả ...