Исследование размерных эффектов в тонких сегнетоэлектрических пленках зондовым методом периодического нагрева

• Автор: Давитадзе, Сулхан Тамазович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 162 с. : ил.

сгр.

Глава 1. Размерные эффекты в сегнетоэлектриках

1.1. Свободные частицы и монокристаллические пленки

1.2. Тонкие эпитаксиальные пленки

1.3. Тонкие поликристаллические пленки

Глава 2. Зондовый метод периодического нагрева

2.1. Метод периодического нагрева

2.2. Методика исследования комплекса тепловых свойств диэлектрических кристаллов

2.3. Методика исследования комплекса тепловых свойств диэлектрических пленок на подложке

2.4. Экспериментальная установка

Глава 3. Исследование теплоемкости и теплопроводности тонких поликрнстал-

лических пленок на подложке
3.1. Приготовление и тестирование образцов
3.2. Тепловые свойства пленок (Ва,8г)ТЮз
3.3. Теплоемкостьпленок РЬ(гг,Т1)Оз
3.4. Тепловые свойства пленок ВаТЮз толщиной 20 - 1100 нм
3.5. Теплоемкость пленок ВаТЮз с размерами кристаллитов 35 — 165 нм
Основные результаты и выводы

Список литературы

Актуальность работы
В последние годы одним из наиболее актуальных направлений в физике сегнето-электриков является исследование свойств наноструктур, включающих в себя ультратон-кие сегнетоэлектрические пленки на подложке. Интерес к таким системам обусловлен в первую очередь развитием микроэлектроники и нанотехнологий, поскольку подобные структуры успешно интегрируются в различного рода функциональные устройства: неох-лаждаемые пиродатчики, микроэлектромеханические системы, пьезодатчики, акустические и оптические элементы, интегральные схемы и т.д. С этой точки зрения наибольшим успехом явилось создание элементов памяти различных типов на основе тонких сегнето-электрических пленок: DRAM, dynamic random access memory - память с произвольной выборкой; FeRAM, ferroelectric nonvolatile memory - энергонезависимая память. Миниатюризация таких устройств требует применения ультратонких пленок, однако уменьшение размеров ссгнетоэлектрических структур приводит к ряду эффектов, которые можно отнести к фундаментальным свойствам веществ: обнаружено, что температура Кюри, спонтанная поляризация, коэрцитивное поле, диэлектрическая проницаемость и другие свойства сильно зависят от характерных размеров системы, особенно в нанометровом диапазоне. Наиболее важным, как с научной, так и технологической точек зрения, является вопрос о критическом размере наноструктур, т.е. размере, при котором исчезают сегнетоэлектрические свойства. Однако на сегодняшний день в научной литературе отсутствует определенный ответ на эти вопросы, поскольку экспериментальные данные зачастую противоречивы, что обусловлено несколькими причинами. Во-первых, только в последнее время развитие технологий приготовления наноструктур позволило получать качественные образцы достаточно малых размеров с воспроизводимыми параметрами. Во-вторых, особенно в случае ультратонких сегнетоэлектрнческих пленок на подложке, очень сложно разделить собственно размерные эффекты и эффекты, обусловленные влиянием механических напряжений, поверхности, интерфейса пленка-нодложка и приэлектродных слоев. Все эти факторы особенно сильно влияют на результаты измерений электрических параметров пленок, которым посвящена большая часть существующих работ. Помимо этого, как правило, проводятся структурные исследования с помощью рентгенографии и туннельных микроскопов различного типа. С другой стороны, практически отсутствуют исследования термодинамических параметров пленок, несмотря на их информативность. Так, данные по температурной зависимости теплоемкости позволяют получить непосредственные сведения о фазовых превращениях, рассчитать спонтанную поляризацию в пленке, избыточную теплоту и энтропию фазового перехода, определить температуру
Кюри и род перехода, проследить эволюцию сегнетоэлектрического фазового перехода при понижении размерности системы. Однако следует отметить, что ограниченность данных по тепловым свойствам тонких пленок связана со сложностью их измерения: поскольку тонкие пленки нанесены, как правило, на подложку, классическими методами можно измерить тепловые параметры только системы в целом, при этом выделение малого вклада пленки - весьма сложная задача.
В связи с этим цели и задачи настоящей работы были сформулированы следующим образом.
Цели и задачи работы
Целью работы являлось исследование фазовых переходов в сегнетоэлектрических поликристаллических тонких пленках различного состава на подложке; изучение эволюции сегнетоэлектрического фазового перехода при уменьшении толщины пленок и размера кристаллитов, составляющих пленку. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать методику исследования комплекса тепловых свойств (теплоемкости, теплопроводности, тепловой активности и температуропроводности) тонких диэлектрических пленок и кристаллов.
2. Создать экспериментальную установку для исследования тепловых свойств тонких пленок на подложке.
3. Исследовать теплоемкость и теплопроводность тонких сегнетоэлектрических пленок различного состава в широком интервале температур.
4. Исследовать эволюцию сегнетоэлектрического фазового перехода в тонких поликристаллических пленках при изменении толщины пленок и размера кристаллитов.
Объекты и методы исследования
Основным объектом исследования в данной работе являлись поликристаллические пленки титаната бария ВаТЮз. В силу того, что титанат бария имеет простую структуру и является достаточно технологичным материалом, обладающим высокой механической прочностью и химической стойкостью, а также обладает сегнетоэлектрическими свойствами при комнатной температуре, - это один из наиболее подробно исследованных сегне-тоэлектриков. Поэтому титанат бария является подходящим объектом для изучения особенностей проявления размерных эффектов в ссгнетоэлектриках. Титанат бария в неполярной фазе имеет структуру перовскита, которая принадлежит к кубической центросимметричной точечной группе тЗт (рис. В.1); параметр элементарной ячейки порядка 4 А. При понижении температуры в титанате бария происходит три фазовых перехода [1]. Температура сегнетоэлектрического фазового перехода близка к 122 °С. Полярная фаза
толщиной 4000 А на Pt/MgO из рентгенографических данных (453 К). Для образна с пленкой 60 Ä гистерезис наблюдается в области температур от 300 до 880 К, средняя температура - Тт. = 590 К. Однако в этом случае авторы предлагают считать, что фазовый переход происходит в области температур 620 - 760 К (Tav = 690 К), поскольку в окрестности этих температур наблюдались небольшие аномалии (аномалия в окрестности 760 К показана на вставке на рис. 1.51 (Ь)) при измерениях на ходе охлаждения образца. Наблюдаемые эффекты авторы объясняют влиянием механических напряжений со стороны подложки па сегнетоэлсктричсский фазовый переход в пленке. Но следует отмстить тот факт, что обычно температурный гистерезис фазового перехода первого рода появляется вследствие существования метастабильных состояний, когда одна из фаз может существовать в области температур, где более устойчивой является другая фаза [82]. Поэтому температурный гистерезис проявляется в том, что при нагреве образца фазовый переход происходит при большей температуре, чем при охлаждении. Однако из рис. 1.51 следует обратное: на ходе нагрева фазовый переход в пленке происходит при меньшей температуре, чем на ходе охлаждения. С другой стороны, вклад теплоемкости пленки толщиной 60 А в теплоемкость всего образца будет меньше 10"4, и не ясно, как за счет столь малого вклада мог получиться столь большой гистерезис (порядка 100 К, см. рис. 1.51). К сожалению, авторы не провели систематических исследований тепловых свойств эпитаксиальных пленок для прояснения ситуации, поэтому нельзя исключить, что наблюдаемые ими эффекты носят инструментальный характер.
Пленки BST-0.3 (ВаодЗго зТЮз) толщиной 800 нм,
с: 0,400
нанесенные на подложку MgO распылением поликри- “
к ■
сталлической мишени соответствующего состава при ф 0398 температуре подложки 1150 К исследовались в работе

[83] с помощью рентгенографии и рамановской спек- 30 троскопии. Рентгенографические данные позволили “
1 О
/С о ° <Ъ ^ о° ° -
о о о°
о " а
определить взаимную ориентацию пленки и подложки: sco ‘ 600' 70о‘~аоо
(001)|3stI!(001)meo, (100)BSTll(100)Mgo, а также зависи- Temperature (К)
Рис. 1.52. Зависимость парамет-мость параметров решетки от температуры (см. рис. ров реШеТк„ пленки BST-0.3 на
1.52). Видно, что сегнетоэлектрический фазовый пере- ^gO толщиной 800 нм от температуры [83].
ход происходит при температуре 365 К, хотя в объемных образцах того же состава Тс~ 300 К [84]. Интересно, что в неполярной фазе сохраняется небольшая тетрагональиость (с/а = 1.006) вплоть до 800 К. Исследование раманов-ских спектров рассеяния поляризованного света (Д =514.5 нм) проводилось в более широком диапазоне температур (300- 1200 К), при этом падающий луч света фокусировался на