Диэлектрическая дисперсия, старение и усталость тонких пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца

• Автор: Смирнов, Алексей Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Глава 1. Перовскитовые сегнетоэлектрические пленки

1.1. Сегнетоэлектрические перовскиты: РЬТЮз и РЬ(Пх7г}.у)Оз

1.2. Характер сегнетоэлектричества в тонком слое

1.3. Существующие методы получения тонких пленок

1.4. Старение и усталость сегнетоэлектрических материалов

1.5 Применение тонких сегнетоэлектрических пленок

Глава 2. Синтез пленок РЬТЮ3и РЬ(2г0 5Т1о.5)Оз

2.1. Получение тонких пленок титаната свинца при помощи магнетронного распыления

2.2. Получение пленок цирконата-титаната свинца и титаната свинца золь-гель методом

Глава 3. Диэлектрические свойства тонких пленок РЬТЮзИ РЬ^гояТю^Оз-ЛЬ

3.1. Исследования диэлектрических свойств методами импедансной спектроскопии

3.2. Температурные и частотные зависимости е'и е" для пленок РЬТЮз, полученных при помощи магнетронного напыления
3.3. Температурно-частотные зависимости е'и е"для пленок РЬ(2го{Поз)Оз полученных с помощью золь-гель метода
3.4. Температурно-частотные зависимости е'и е"для пленок РЬТЮз полученных с помощью золь-гель метода
3.5 Аномальное поведение диэлектрической проницаемости и потерь в области мегагергрвых частот
Глава 4. Старение и усталость тонких пленок РЬТЮз и РЬ(гг0.5ТЬ.5)Оз
4.1. Нелинейные свойства пленок в переменных электрических полях
4.2. Особенности явления усталости в тонких пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца
Заключение
Список литературы.

Актуальность темы.
Несколько десятилетий продолжается интенсивное изучение тонких сегнетоэлектрических пленок. Это объясняется как многочисленными установленными, так и потенциальными преимуществами пленок по сравнению с объемными материалами: прежде всего миниатюризацией устройств, уменьшением управляющих полей, высокой стабильностью свойств, хорошей интеграцией с полупроводниковыми материалами, традиционно используемыми в электронике, и т.п. В связи с этим актуальным остается вопрос, связанный с оптимизацией технологий получения тонких пленок с высокими сегнетоэлектрическими свойствами.
Многочисленные преимущества пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца, включая большое значение переключаемой поляризации, позволяют отнести их к наиболее перспективным материалам в частности для создания устройств энергонезависимой памяти с большой емкостью. При этом существует ещё множество проблем, сдерживающее широкое коммерческое внедрение подобных устройств. Таковыми являются, процессы старения и усталости (ухудшение свойств со временем и уменьшение переключаемого заряда при многократно повторяющемся переключении). К настоящему времени предложен целый ряд возможных механизмов усталости в тонких пленках. В то же время ясное понимание причин проявления процессов старения и усталости в сегнетоэлектрических материалах и, в частности, в кислородосодержащих пленках со структурой перовскита, таких как титанат свинца и цирконат-титанат свинца все еще отсутствует, что также делает актуальным изучение процессов переключения и диэлектрических характеристик данных материалов.
Тема диссертационной работы поддержана грантом RUXO-010-VZ-06 «Нелинейные явления в наноразмерных твердотельных структурах при воздействии внешних полей» по совместной программе СКОР и Минобразования «Фундаментальные исследования и высшее образование» (2006-2007), грантом 2007-3-1.3-07-01 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме: «Твердотельные наноструктуры для электронной и оптической техники нового поколения», грантом Российского фонда фундаментальных исследований N04-02-16433-0, (2004-2006 гг.).

Целью настоящей работы является: экспериментальное исследование частотных и температурных свойств тонких пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца и их стабильности под действием внешнего переменного электрического поля. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
• получение пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца методами - магнетронного напыления и золь-гель технологией.
• анализ фазового состава и микроструктуры поверхности образцов, полученных пленок для подбора наилучшего режима оксидирования.
• исследование методом импедансной спектроскопии особенностей поведения диэлектрической проницаемости и потерь, в широком частотном и температурном диапазоне.
• определение характера переключения поляризации в тонких пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца.
• изучение процесса усталости в указанных пленках под действием внешнего переменного поля.
Объект и методики исследования. Объектом исследования являлись тонкие пленки титаната свинца и цирконата- титаната свинца толщиной от 0,2 до 1 мкм на различных подложках. Фазовый состав и преимущественная ориентация кристаллитов в пленках контролировались методом рентгенофазового анализа на приборе ДРОН-ЗМ. Расшифровка полученных дифрактограмм выполнена с использованием базы данных Powder Diffraction File (PDF-2). Структурные параметры пленок титаната свинца выявлялись с помощью атомно-силовой и электронной микроскопии на приборах Femtoscan-001-Online и Scanning Electron Microscope JEOL JSM-6380LV, соответственно. Диэлектрические измерения проводились при помощи импедансметра Solartron Analitical 1260 с диэлектрическим интерфейсом 1296. Исследования зависимостей в сильных полях проводились с помощью специально сконструированной установки.

самоорганизуются в оксидных перовскитах, со сверхструктурой, при концентрации вакансий ~7%. Только заряженные дефекты будут давать вклад в процесс зажатия доменов. Однако, большинство кислородных вакансий компенсируется вакансиями свинца РЬ. Изгиб энергетических уровней на границе раздела металл/полупроводник порождает градиент плотности заселенности ловушек около контакта. По этой причине зажатие доменных станок в тонкопленочных сегнетоэлектриках происходит в основном в слоях около границы раздела металл/сегнетоэлектрик.
Во-первых, в данной модели полагается, что локальное электрическое поле обусловлено дефектом. Е = Еа- Есм, где Е - локальное электрическое поле; Ел - приложенное электрическое поле; Есм - поле, обусловленное объемным зарядом. Поправка на аппроксимацию кислородного узла диэлектрическим шаром:
и когда es велика, как в данном случае (примерно 400<г0):
Е . = 3 / 2Е. (1.19)
cavity
Плотность потока под действием прямого постоянного поля дается выражением:
Здесь // - подвижность дефекта, £> - концентрация дефектов, Ж - энтропия движения дефекта, г - валентность дефекта, д - заряд электрона, Ь - длина скачка.
Когда образец деградировал(устал), поток под действием прямого сдвига:
V s
(1.18)
(1.20)
(1.21)
и для обратного сдвига: