Переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца с внутренним полем

• Автор: Ионова, Елена Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
Глава 1. Процессы переключения в тонких сегнетоэлектрических
пленках
1.1. Синтез тонких сегнетоэлектрических пленок. Методики эксперимента
1.2. Особенности переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках
1.3. Процессы старения и усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках.2О
1.4. Технология формирования нано доменов в тонких пленках в атомном силовом микроскопе
Глава 2. Процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок
2.1. Влияние электрического поля, частоты, температуры, материала подложки и толщины пленки на процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок
2.2. Влияние процессов усталости на токи переключения в пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца
2.3. Дислокационная модель усталости сегнетоэлектриков в результате многократного переключения
Глава 3. Внутреннее поле смещения в тонких пленках и его влияние на
электрические свойства пленок
3.1. Пироэлектрические и эмиссионные свойства пленок цирконата-титаната свинца
3.2. Внутреннее смещающее поле в кристаллах ГГС с Ь, а -аланином, выращенных при отрицательных температурах
Глава 4. Формирование нанодоменов в атомном силовом микроскопе
4.1. Закономерности формирования нано доменов в тонкопленочных сегнетоэлектриках титаната свинца и цирконата титаната свинца
4.2. Расчет параметров нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе
Заключение
Литература
Введение
Актуальность темы. Физика конденсированного состояния в настоящее время переживает бурное развитие в качестве научного фундамента современного материаловедения. Активный интерес к этой отрасли знаний связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями при переходе к наноразмерам, так и с четко наметившимися перспективами управления свойствами материалов за счет варьирования их наноструктуры и создания на этой основе новых устройств наноэлектроники, измерительной техники, информационных систем нового поколения с широкими функциональными возможностями.
Среди различных наноструктур важное место занимают нанострукту-рированные диэлектрики и, в частности, сегнетоэлектрики и родственные мультиферроичные материалы в виде тонких пленок, слоистых и композитных структур. Основным практически используемым свойством указанных объектов является их управляемый диэлектрический, электромеханический или магнитный отклик на внешнее воздействие, в основе которого, как правило, лежат процессы переключения поляризации.
Широкое практическое использование сегнетоэлектрических материалов сдерживается как нерешенностью ряда технологических задач, в первую очередь связанных с совершенствованием интерфейсных слоев, так и с незавершенностью исследований динамики переключения поляризации в данных структурах.
Все это делает чрезвычайно актуальной задачу управляемого контроля за состоянием доменной структуры сегнетоэлектриков и ее изменениями со временем и в процессе эксплуатации. В первую очередь это касается тонких сегнетоэлектрических пленок, которые имеют наибольшие перспективы для практических приложений с целью миниатюризации устройств, в связи с уменьшением управляющих полей, хорошей интеграцией указанных пленок с полупроводниковыми материалами, традиционно используемыми в элек-
тронике, а также для создания перепрограммируемых запоминающих устройств на базе сегнетоэлектриков.
В связи с этим целью настоящего исследования является выяснение закономерностей переключения поляризации в тонкопленочных сегнетоэлек-триках, в том числе в присутствии внутреннего поля смещения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:
- изучение изменений в токах переключения в зависимости от числа циклов переключения, их связи с амплитудой и частотой приложенного внешнего поля;
- исследование зависимости усталостных свойств сегнетоэлектриче-ских пленок от материала подложки и толщины образцов;
- исследование природы внутреннего поля смещения, обусловленного несимметричностью системы пленка - подложка;
- исследование причин нарастания усталого состояния в сегнетоэлек-трических пленках в рамках дислокационной модели;
- исследование влияния подложки на пироэлектрическую и эмиссионную активность пленок;
- изучение закономерностей формирования нанодоменов в атомном силовом микроскопе на основе представлений о контроле коэрцитивных полей за указанными процессами.
Тема диссертационной работы поддержана проектами 2.1.1/1381 и 2.1.1/12070 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2008 -2011)» на тему «Нелинейные явления в наноразмерных структурах вещества при воздействии внешних полей», грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 10-02-00556-а (2010-2012 гг.).
Объект и методики исследования
В качестве объекта исследования в работе использовались поликри-сталлические сегнетоэлектрические пленки титаната свинца РЬТЮз и цирко-ната-титаната свинца РЬ(2г0;5ТЦ5)Оз (РгТ) толщиной 100 пт - 1 цт, синтези-

статике доменов удается получить при использовании силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика Piezoresponse Force Microscopy (PFM) в сочетании с атомно-силовой микроскопией (AFM).
PFM - метод основан на детектировании локального электромеханического смещения поверхности сегнетоэлектрика в результате обратного пьезоэлектрического эффекта. Поскольку все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами, приложение внешнего поля приводит к деформации сегнетоэлектрического образца.
В зависимости от взаимной ориентации приложенного поля и вектора поляризации деформация образца может происходить в форме растяжения, сжатия или сдвига. Для обратного пьезоэлектрического эффекта индуцированная полем деформация может быть выражена как [75]:
где 4 - пьезоэлектрические коэффициенты и Е, - приложенное электрическое поле.
С другой стороны, используя термодинамическое приближение можно показать, что пьезоэлектрические коэффициенты связаны со спонтанной поляризацией следующим выражением:
где 8т, - диэлектрическая постоянная и 0]тк - коэффициенты электрострик-ции.
Для монодоменного сегнетоэлектрика тетрагональной симметрии связь между пьезоэлектрическими коэффициентами и поляризацией в редуцированных матричных обозначениях может быть записана как:
Продольный пьезоэлектрический коэффициент с133 описывает удлинение или сжатие образца вдоль полярной оси для параллельного данному направлению приложенного поля. Поперечный пьезоэлектрический коэффициент с13] описывает расширение или сжатие образца в направлении, перпенди-

У 1 >
(1.11)
(1.12)
(1.13)