Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических кристаллов и тонких пленок методом тепловых шумов

• Автор: Бедняков, Петр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Глава 1. Проблемы исследования диэлектрических свойств сегне-тоэлектрических кристаллов и тонких пленок
1.1. Типичные аномалии диэлектрической проницаемости при
сегнетоэлектрических фазовых переходах
1.2 Описание диэлектрических свойств сегнетоэлектриков в рамках теории Ландау
1.3. Дефекты, электрические поля, упругие напряжения в объемных кристаллах. Влияние пьезоэффекта
1.4. Поверхностные и размерные эффекты в пленках
1.5. Дефекты, электрические поля и упругие напряжения в тонких пленках
1.6. Влияние “мертвого” слоя на диэлектрическую проницаемость тонких пленок
1.7. Частотные характеристики
1.8. Недостатки стандартного подхода к исследованию диэлектрических свойств сегнетоэлектриков
Глава 2. Методы исследования диэлектрических свойств
2.1. Импедансные методы
2.2. Метод тепловых шумов
2.3. Существующие реализации метода тепловых шумов
2.4. Достоинства и недостатки метода тепловых шумов
Глава 3. Экспериментальная установка
3.1. Блок-схема, оборудование, новизна
3.2. Программа автоматизации
3.3. Калибровка и тестирование установки
Выводы к главе
Глава 4. Сравнительные исследования объемных образцов различными методами
4.1. Объемные кристаллы титаната бария
4.2. Объемные кристаллы триглицинсульфата
Выводы к главе
Глава 5. Исследование сегнетоэлектрических тонких пленок им-педансным методом и методом тепловых шумов
5.1. Образцы
5.2. Экспериментальные результаты
5.3. Обсуждение
Выводы к главе
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность работы
В последние годы неуклонно растет интерес к исследованию многослойных структур, состоящих из различных по своим электрическим характеристикам слоев, среди которых присутствуют слои из сегнетоэлектриче-ских материалов. Такие структуры перспективны для создания элементов энергонезависимой памяти, миниатюрных фазированных антенн, различных датчиков и преобразователей.
Одним из преимуществ таких содержащих сегнетоэлектрические слои структур перед классическими сегнетоэлектрическими материалами является возможность изменения зависимостей их диэлектрических характеристик от температуры, как путем изменения состава этих структур, так и путем изменения толщин входящих в них слоев. Причем, в последнем случае, получаемые материалы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к компонентам, используемым в современной электронной технике.
Эти требования, в частности, ограничивают диапазон рабочих напряжений, которые могут использоваться в управляющих цепях электронных устройств, величинами порядка 1 В. При этом, наиболее эффективно использовать сегнетоэлектрические слои толщинами порядка 10—100 нм.
Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических слоев такой толщины - сегнетоэлектрических тонких пленок, - на сегодняшний день, связано с рядом трудностей. Одна из них проистекает из обратной пропорциональности величины напряженности электрического поля расстоянию между обкладками конденсатора, в который помещается исследуемый образец. Прикладывая к слою толщиной 1000 нм напряжение в 1 В, мы получаем электрическое поле напряженностью 10 кВ/см. Это на четыре порядка больше величины электрических полей, которые принято использовать для определения диэлектрических характеристик сегнетоэлектрических кристаллов.

где Ь- толщина пленки,^ = -4я^Р--^-^Р(г)с1г^ - деполяризующее поле,
- внешнее поле, ось г направлена перпендикулярно плоскости пленки, вектор поляризации направлен вдоль г, пленка помещена между закороченными металлическими электродами (наиболее распространенный случай при эксперименте).
В этом случае уравнение Эйлера-Лагранжа будет иметь вид:
ОЧгР = АаР + + СР5 - 4яг £ Р(г) ей (1.66)
с граничными условиями (1.51), где А,=А(Т-ТСа)+4л.
В работе [54] в линейном приближении решена задача, соответствующая фазовому переходу второго рода. На рис. 1.21 показан профиль поляризации пленки при ё > 0 с учетом (а) и без учета (Ь) вклада деполяризующего поля. Видно, что деполяризующее поле уменьшает неоднородность поляризации, подавляя проявление поверхностных эффектов, вследствие чего профиль поляризации становится более плоским. В случае (а) поверхностная поляризация заметно отличается от объемной на расстоянии порядка к~1 = (Л/.Л Г (т.е. на расстоянии порядка постоянной решетки), в случае (Ь) на расстоянии порядка длины корреляции | = [1)/д(|г-7’Соо|)]1/2. При приближении к температуре фазового перехода £ стремящееся к бесконечности, возрастает, тогда, как к'1 остается конечной. Это связано с перенормировкой коэффициента Аа при линейном члене в уравнении Эйлера-Лагранжа, при учете влияния деполяризующего поля.
Критическая температура ТСс для толстых пленок (2»|) в случае рис. 1.21 (а) зависит от толщины следующим образом:

п Чо П рУ 1НКА/1вЯ) Р(г)
' ” Ч"
Р1 /1 I ■ 1 1 } (а) 1 «1 Ч||- г
X 0КЧ 1 /2 1. 1А
р 2И5>-М РЫ
Р„ /“ ехр[1У2|ь)
рг / ! Ч (Ь)
/ I Г*ч
Рис. 1.21. Профиль поляризации пленки при 5>0 с учетом (а)' и без учета (Ъ) вклада деполяризующего поля [54].