Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Ионова Елена Викторовна
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ТИТАНАТА СВИНЦА И ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА С ВНУТРЕННИМ ПОЛЕМ
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Воронеж - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Cидоркин Александр Степанович
Официальные оппоненты: Тополов Виталий Юрьевич доктор физикоматематических наук, профессор ФГАОУ ВПО Южный федеральный университет, профессор кафедры технической физики Курганский Сергей Иванович доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО ВГУ, профессор кафедры физики твердого тела
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет
Защита состоится У 17 Ф мая 2012 года в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.038.06 в Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, ауд.428.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.
Автореферат разослан " 16 " апреля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Дрождин С.Н.
Актуальность темы. Физика конденсированного состояния в настоящее время переживают 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 наноструктурированные 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 электронике, а также для создания перепрограммируемых запоминающих устройств на базе сегнетоэлектриков.
В связи с этим целью настоящего исследования является выяснение закономерностей переключения поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках, в том числе в присутствии внутреннего поля смещения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:
Ц изучение изменений в токах переключения в зависимости от числа циклов переключения, их связи с амплитудой и частотой приложенного внешнего поля;
Ц исследование зависимости усталостных свойств сегнетоэлектрических пленок от материала подложки и толщины образцов;
Ц исследование природы внутреннего поля смещения, обусловленного несимметричностью системы пленка - подложка;
Ц исследование причин нарастания усталостного состояния в сегнетоэлектрических пленках в рамках дислокационной модели;
Ц исследование влияния подложки на пироэлектрическую и эмиссионную активность пленок;
Ц 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-a (2010 - 2012 гг.).
Объект и методики исследования. В качестве объекта исследования (уменьшение рабочих параметров в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле) в работе использовались поликристаллические сегнетоэлектрические пленки титаната свинца PbTiO3 и цирконата-титаната свинца Pb(Zr0,5Ti0,5)O3 (PZT) толщиной 100 nm - 1 m, синтезированные по технологии магнетронного распыления и по золь-гель технологии. В качестве подложки использовались монокристаллический кремний Si 100 и поликор (Al2O3) марки ВК-100-1.
Изучение явления усталости (уменьшение рабочих параметров в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле) в настоящей работе осуществлялось путем анализа эволюции петель диэлектрического гистерезиса, полученных с помощью схемы Сойера - Тауэра в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле, а также путем исследования токов переключения с помощью методики Мерца.
Пироэлектрические исследования пленок проводились квазистатическим методом с помощью кулонометра UT-6801A с чувствительностью по току 10-17 А.
Измерения тока термостимулированной эмиссии электронов проводились с поЦ мощью ВЭУ-6 по стандартной методике в вакууме порядка 10 Па. Формирование и наблюдение сегнетоэлектрических нанодоменов в пленках проводилось при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver P47Pro корпорации NTMDT (Россия).
Научная новизна работы. Все основные результаты данной работы являются новыми. В настоящей работе впервые - изучено влияние процессов усталости на токи переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца;
Ц исследованы закономерности пироэлектрических и эмиссионных явлений в сегнетоэлектрических пленках с внутренним полем;
Ц исследовано влияние параметров, контролирующих коэрцитивное поле на размеры доменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.
Практическая ценность работы. Выявленные закономерности позволяют контролировать процессы усталости и, следовательно, дают возможность продлять количество полезных циклов переключения при эксплуатации сегнетоэлектрических пленок. Целенаправленное влияние на величину внутреннего и коэрцитивного поля пленок позволяет добиваться необходимых на практике пироэлектрических и эмиссионных характеристик пленок и контролировать размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Представления о происхождении полевой, частотной и температурной зависимости усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках в рамках модели, связывающей уменьшение переключаемой поляризации с блокированием процессов переключения системой заряженных дислокаций.
2. Высокие значения пирокоэффициента и плотности эмиссионного тока в пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца являются следствием существования внутреннего смещающего поля, связанного с возникновением дислокаций несоответствия на границе сегнетоэлектрического материала и подложки;
3. Функциональные зависимости размеров 180 - градусных сегнетоэлектрических доменов, формируемых в атомном силовом микроскопе, от параметров, контролирующих коэрцитивное поле сегнетоэлектрической пленки.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 11- ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству, Аргентина / Бразилия, 2005; XVII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XVII), Пенза, 2005; 4-ой Международной научно-технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, Москва, 2006; 11-ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству, Блед, Словения, 2007; XVIII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков, Санкт-Петербург, 2008; V-ой Международной научно-технической школыконференции Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике, Москва, 2008; II-ой Всероссийской конференции Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях (ММПСН-2008), Москва, 2009; II-ой Научно-технической конференции Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники, Пенза, 2009; 10-ом Российско/СНГ/Балтийско/Японском Симпозиуме по сегнетоэлектричеству, Йокогама, Япония, 2010.
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научноЦисследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор методов и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф. - м.н., проф. Сидоркиным А.С.
По теме диссертации опубликовано 9 статей, в том числе 4 статьи в изданиях ВАК и 5 статей в трудах конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 52 рисунка.
Библиографический раздел включает 109 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении к диссертации обоснована актуальность работы, определена цель исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора, структуре и объеме работы.
В первой главе приводится обзор работ, посвященных особенностям переполяризации и усталости тонких сегнетоэлектрических пленок, а также вопросам формирования доменной структуры в атомном силовом микроскопе.
Отмечается, что в случае тонких пленок вместо модели Колмогорова - Аврами - Ишибаши, используемой для описания процессов переключения в объемных материалах зачастую более корректное описание экспериментальных данных дает модель лимитированного зародышеобразованием переключения, основным положением которой являются представления о том, что время движения доменной стенки пренебрежимо мало по сравнению со временем зародышеобразования.
Показано, что реальная кинетика переключения тонких пленок существенно различается для комнатных и низких температур. При этом низкотемпературное поведение пленок аналогично переключательному поведению объемных монокристаллов.
Рассмотрены основные модели, объясняющие различные аспекты усталости: уменьшение площади электродов в процессе многократного переключения, модель, в которой усталость обусловлена пиннингом (закреплением) доменных стенок дефектами, создаваемыми за счет электромиграции кислородных вакансий, инжекцией зарядов из электродов; формирование и рост приповерхностного мертвого слоя, который меняет фазовый состав плёнок, превращая их в несегнетоэлектрический материал.
Описываются используемые в работе способы получения тонких сегнетоэлектрических пленок - магнетронное распыление и зольЦгель технология, а также методы исследования доменной структуры и процессов зарождения и визуализации доменов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Показано, что силовая зондовая микроскопия (СЗМ) представляет собой уникальный инструмент доменной наноманипуляции. Изменение амплитуды поля, приложенного к проводящему зонду, позволяет использовать СЗМ как для визуализации доменов с рекордно высоким пространственным разрешением, так и для создания нанодоменов.
Подробно рассмотрена используемая в работе методика получения изображений рельефа поверхностей с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) в режиме пьезоэлектрического отклика, основанная на детектировании локального электромеханического смещения поверхности сегнетоэлектрика в результате обратного пьезоэлектрического эффекта.
Исходя из анализа литературных данных, делается заключение об отсутствии в литературе непротиворечивых объяснений процессов усталости, отсутствии достаточных исследований природы внутреннего поля в тонких сегнетоэлектрических пленках и его влияния на свойства пленок, а также изучения факторов, контролирующих размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.
Во второй главе с использованием взаимодополняющих методик Сойера Тауэра и Мерца исследуются процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок. В первом разделе главы рассматривается влияние электрического поля, частоты и температуры на процессы усталости. Экспериментально изучены полевые и частотные зависимости остаточной поляризации, коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения от количества циклов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца и цирконатаЦтитаната свинца. Предложена модель, описывающая особенности проявления эффекта усталости в указанных пленках.
Проведенные исследования показали, что увеличение амплитуды переменного электрического поля приводит к ускорению процессов усталости, как в пленках титаната свинца, так и в пленках цирконатаЦтитаната свинца.
Рис. 1 - Зависимости переключаемой Рис. 2 - Зависимости коэрцитивного поляризации от числа циклов пере- поля (1,2,3) и внутреннего поля смещеключения для пленок PbTiO3 на ния (4,5,6) от числа циклов переключекремниевой подложке при Т = 200С, ния для пленок PbTiO3 на кремниевой f = 10 MHz: 1, 2, 3 - E = 130, 200, 270 подложке. Т = 200С, f = 10 MHz: 1, 2, kV/cm. - E = 130, 200, 270 kV/cm.
Это отражается как в пороговом уменьшении величины переключаемой поляризации P с ростом количества циклов переключения N (рис.1), так и в увеличении с ростом N коэрцитивного поля Ес и внутреннего поля смещения Ев (рис.2).
Рис. 3 - Зависимости переключаемой Рис. 4 - Зависимости коэрцитивного поляризации от числа циклов переклю- поля (1,2,3) и внутреннего поля смещечения для пленок Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 на ния (4,5,6) от числа циклов переключекремниевой подложке при Т = 200С, Е = ния для пленок Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 на крем130 kV/cm: 1 - 100 kHz ; 2 - 1MHz; 3 - ниевой подложке. Т = 20С, Е = 110 MHz. kV/cm: 1 - 100 kHz; 2 - 1MHz; 3 - MHz.
Измерение переключаемой поляризации от количества циклов переключения N при различных частотах и постоянной амплитуде внешнего поля (рис.3 и рис.4), показало, что пороговое значение циклов переключения, которое выдерживают пленки, растет с увеличением частоты.
Рис. 5 - Зависимости переключаемой Рис. 6 - Зависимости переключаемой поляризации от числа циклов пере- поляризации от числа циклов переклюключения для пленок PbTiO3 на раз- чения для пленок PbTiO3 на кремниевой подложке при T = 20C, E = 160 kV/cm:
ичных подложках: d = 1 mm, T = 480C, E = 200 kV/cm: 1 - поликоровая 1 - d = 0,2 mm; 2 - d = 0,5 mm.
подложка; 2 - подложка из кремния.
На рисунках 5 и 6 показаны зависимости поляризации от количества циклов переключения, построенные для одного и того же поля для пленок титаната свинца на различных подложках и для различных толщин образцов соответственно.
Видно, что пленки, полученные на подложке из германия, показывают предпочтительное поведение с точки зрения эффектов усталости, а пленки большей толщины выдерживают большее число циклов переключения.
В третьей части первой главы рассматривается эволюция токов переключения в процессе усталости в зависимости от количества циклов переключения для пленок титаната свинца и цирконатаЦтитаната свинца двух разных толщин при комнатной температуре и различных амплитудах внешнего поля для положительного и отрицательного импульсов.
Ток переключения измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 , и регистрировался на экране двухканального цифрового осциллографа. Время нарастания переключающего напряжения составляло не более 10 ns. Измеряемыми величинами являлись интегральные характеристики переключения: максимальное значение импульса тока переключения imax и полное время переключения ts. Время переключения ts определялось как интервал между началом импульса и моментом, когда значение тока падает до 10% от максимального значения imax.
Рис. 7 - Зависимость положительных (а) и отрицательных (б) импульсов тока переключения i от количества циклов переключения N для пленок цирконататитаната свинца толщиной 0,5 mm при внешнем поле 120 kV/cm.
1 - 106, 2 - 107, 3 - 108, 4 - 109 циклов переключения.
Временные зависимости тока переключения для пленок цирконата-титаната свинца после различного количества циклов переключения для положительных и отрицательных импульсов тока представлены на рисунке 7. Из представленных графиков видно, что с ростом числа циклов переключения N наблюдается уменьшение максимума тока и времени переключения, что указывает на уменьшение объема, участвующего в переключении, что в свою очередь может быть объяснено закреплением доменных стенок дефектами в пленках в процессе усталости.
Анализ полученных закономерностей показывает, что с высокой вероятностью в наблюдаемых процессах усталости активна диффузия заряженных носителей, эффективность которой возрастает за счет увеличения действующей на них силы вместе с ростом величины поля и времени его воздействия. При этом основным вопросом, требующим прояснения, является причина разделения эффективных в лусталости зарядов, поскольку в обычном случае точечных зарядов изменение знака переменного поля влечет за собой и симметричное изменение направления силы воздействия. Показано, что возможная причина указанного разделения возникает в случае, если роль закрепляющих поляризацию дефектов играют дислокации.
Существует важная специфика движения дислокаций в сегнетоэлектрических кристаллах в условиях периодического переключения доменной структуры.
С учетом того, что дислокации в сегнетоэлектрических кристаллах являются заряженными, они испытывают смещающие силы со стороны приложенного электрического поля. Знак заряда дислокации меняется при изменении вектора спонтанной поляризации. Поэтому одна и та же дислокация будет испытывать силы разного знака в различных доменах. При изменении доменной структуры сегнетоэлектрика в процессе переключения меняется и направление силы, действующей со стороны внешнего поля на дислокацию. Указанная зависимость не симметрична относительно оси времени, в результате чего средняя по времени сила, действующая на заряженную дислокацию, не равна нулю. Таким образом, в процессе периодического переключения доменной структуры сегнетоэлектрика существует постоянная составляющая силы, движущая дислокации данного типа в одном направлении. Длительное действие такой силы приводит к разделению дислокаций разного знака, обеспечивающему накопление необходимых упругих и электрических компенсационных полей вблизи поверхности пленки или границ обратных доменов.
Критическое значение числа циклов переключения можно оценить из условия равенства переключаемой поляризации, а, значит, и поверхностной плотности заряда на поверхности сегнетоэлектрика заряду, приносимому сюда потоком заряженных дислокаций за время, равное суммарной длительности критического количества циклов переключения:
N P = j. (1) f Здесь P - переключаемая поляризация, N - критическое количество циклов переключения, f - частота переключения. Подставляя в (1) поверхностную плотность тока j, переносимого заряженными дислокациями j =t ns m E (2) с линейной плотностью заряда на дислокациях = P b (b - вектор Бюргерса дислокации, ns - поверхностная плотность дислокаций, - подвижность дислокаций, E - средняя по времени поле, действующее на единицу заряда дислокации), получим f N =. (3) bns m E Как видно из (3), критическое значение циклов переключения уменьшается с ростом амплитуды поля и температуры, поскольку в последнем случае растет подвижность дислокаций. Кроме того, критическое значение циклов переключения уменьшается с уменьшением частоты. Причиной этого в данном случае является нарастание усталостного состояния не от числа циклов переключения, а от длительности действия электрического поля, способствующего движению заряженных дислокаций.
С ростом коэрцитивного поля вследствие изменения материала подложки или толщины пленки возникает необходимость в увеличении амплитуды переполяризующего поля, что интенсифицирует миграцию заряженных дефектов и, как следствие, ускоряет усталостные процессы.
Третья глава посвящена исследованию влияния внутреннего поля смещения на пироэлектрические и эмиссионные свойства тонкопленочных сегнетоэлектриков титаната свинца и цирконата титаната свинца.
Проведенные исследования обнаружили естественную униполярность образцов полученных пленок цирконата-титаната свинца в диапазоне температур от 0 +20 С до +220 С со значениями пирокоэффициента g порядка 20Е100 ед. CGSE.
В области температур +260Е+340 С у полученных образцов наблюдается характерный максимум пирокоэффициента в зависимости g(T) (рис. 8) со значениями g порядка 20 тысяч единиц. Дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению значений пирокоэффициента при приближении к фазовому переходу, и при температурах выше +340 С коэффициент g обращается в ноль.
Полученные достаточно большие значения пирокоэфициента указывают на высокую степень естественной униполярности образцов, которую аналогично сегнетоэлектрическим композитам можно связать с формированием в процессе получения пленок внутреннего смещающего поля за счет асимметричности гетероструктуры сегнетоэлектрическая пленка - подложка. Повторные пироэлектрические измерения показали незначительное уменьшение значений пирокоэффициента во всем температурном интервале по сравнению с данными первичных измерений, что указывает на достаточно хорошую стабильность естественной униполярности пленок PZT к тепловым воздействиям.
Результаты пироэлектрических измерений хорошо коррелируют с исследованиями термостимулированной эмиссии с поверхности пленок PZT. В диапазоне температур от комнатной до ~ +50 С. эмиссия электронов практически отсутствует. Затем происходит небольшой рост эмиссионного тока с тремя небольшими максимумами в области температур +80Е+100 С (рис.9).
Рис. 8 - Зависимость пироэлектриче- Рис. 9 - Температурная зависимость ского коэффициента от температуры плотности эмиссионного тока для для пленки PZT. пленки PZT.
Последующее увеличение температуры приводит к появлению основного максимума эмиссионного тока и дальнейшим спадом его до нуля при приближении к фазовому переходу.
Наблюдаемая термоэмиссионная активность исследуемых сегнетоэлектрических пленок PZT может быть объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поверхностных электронных состояний в поле зарядов экранирования спонтанной поляризации. Затягивание эмиссии электронов в параэлектрическую фазу может быть обусловлено большим временем максвелловской релаксации зарядов экранирования спонтанной поляризации. Кроме того, не исключено вхождение различного рода дефектов в пленки в процессе их получения, и формирования в пленках внутренних смещающих полей, что подтверждается существованием пироэлектрического эффекта в параэлектрической фазе.
Вторая часть данной главы посвящена сравнительному изучению эффективности формирования внутреннего смещающего поля в сегнетоэлектриках системой ориентированных полярных дефектов на примере кристаллов триглицинсульфата (TGS) с различными примесями.
Проведенные To, C диэлектрические исследования показали увеличение температуры фазового перехода (Тс) для образцов кристалла TGS, выращенного при температурах ниже 00С, на 0,8 К и некоторое размытие в нем фазового перехода по сравнению с обычным кристаллом TGS (выращенным при температурах 48Е43 С) (кривая 2, рис. 10).
Измерения на образцах низкотемпературного кристалла TGS, легированного Рис. 10 - Температурные зависимомолекулами L, - аланина ( - TGS), сти диэлектрической проницаемости показали еще большее смещение точки вдоль полярной оси для кристаллов TGS, выращенных (1) в стандартном фазового перехода в сторону высоких температурном диапазоне ( Тс) и (2температур на 1,6 и 1,9 для образцов с 4) при отрицательных температурах:
мол. % (кривая 3, рис. 10) и 5 мол. % в кривая 2 - для чистого образца; 3, растворе (4, рис. 10) соответственно и - для образцов легированных примесями L, - аланина (2 и 5 мол. % в большее размытие фазового перехода.
растворе, соответственно).
Пироэлектрические исследования показали относительно плавный характер зависимости пирокоэффициента от температуры для низкотемпературных кристаллов TGS, как номинально чистых, так и с исследуемыми примесями, во всём исследуемом интервале температур от комнатных до точки Кюри.
Особенностью образцов низкотемпературных кристаллов TGS, легированных примесями молекулами L, - аланина, является стабильность значений пирокоэффициента во всём исследуемом температурном интервале при многократных повторных измерениях. Это позволяет говорить о том, что введение примеси молекул L, - аланина оказывает более сильное воздействие на свойства низкотемпературного кристалла, чем ростовые дефекты.
Наблюдаемые изменения диэлектрических и пироэлектрических свойств кристаллов TGS при изменении условий выращивания и концентрации легирующей примеси объясняются влиянием так называемого внутреннего смещающего поля Еb, сформированного системой ориентированных дефектов. В рамках такого подхода введение в кристаллы TGS при их выращивании при отрицательных температурах полярных молекул L, - аланина приводит к усилению влияния ростовых полярных дефектов (кластеров) и к более эффективному изменению свойств таких кристаллов по сравнению с кристаллами, выращенными в традиционном интервале температур роста.
В четвертой главе исследуются закономерности формирования нанодоменов в тонкопленочных сегнетоэлектриках титаната свинца и цирконата-титаната свинца с помощью АСМ. Сегнетоэлектрические материалы являются активно исследуемыми кандидатами для построения нового поколения устройств электронной техники на наномасштабных принципах. С помощью атомно-силовой микроскопии на поверхности пленки может быть генерировано чрезвычайно высокое электрическое поле при использовании сравнительно низкого потенциала. Это делает методы АСМ многообещающими для исследований модификации и создания высокоорганизованной структуры доменов со средним разрешимым интервалом близким к физическому пределу.
Для формирования нанодоменов в сегнетоэлектрических пленках в настоящей работе использовались кремниевые кантилеверы CSG11 с золотым покрытием (с резонансной частотой до 28 kHz и силовой постоянной до 0,2 N/m), на которые подавалось постоянное напряжение до 10 V. Поляризационная картина поверхности пленки до и после формирования, контролировалась сканированием в режиме пьезоотклика.
Результаты исследований показали, что в процессе записи нанодоменов может происходить частичное или полное переключения направления поляризации в пределах одного кристаллита (рис.11). При этом влияние соседних зерен на формируемую картину минимально, что обосновывается ограничивающим влиянием межзеренных границ на боковое движение доменных стенок.
Проведенные эксперименты также показали, что наличие подложки приводит к формированию внутреннего смещающего поля в тонких сегнетоэлектрических пленках, которое в зависимости от своего направления по отношению к приложенному внешнему полю либо облегчает, либо затрудняет формирование доменов в атомном силовом микроскопе.
Рис. 11 - Картина распределения фаз колебаний кантилевера в режиме пьезоотклика. Область сканирования 700 nm. Исходное состояние - слева, после приложения постоянного напряжения в указанную точку - справа Во второй части четвертой главы приведена количественная оценка размеров нанодоменов, формируемых в АСМ, полученная из условия равенства поля, создаваемого наконечником зонда на поверхности сегнетоэлектрической пленки, полю коэрцитивному. Для квадрата радиуса нанодомена r на поверхности пленки при c = a = >> 1 в модели коэрцитивного поля, контролируемого дефектами, получено следующее выражение:
2q (R + d )2P - (R + d ) r =, (4) e n0U0 0 где R - радиус кривизны наконечника зонда, - расстояние между зондом и образцом, q=CtU, U - напряжение между наконечником зонда и нижним электродом, Ct - емкость системы наконечник зонда - образец, P0 - переключаемая поляризация, n0 и U0 - концентрация и энергия взаимодействия доменных границ с дефектами соответственно.
Видно, что радиус формируемого нанодомена уменьшается с ростом концентрации дефектов n0, препятствующих переполяризации, и энергии взаимодействия доменных границ с дефектами. Вместе с ростом прикладываемого напряжения растет и размер формируемого домена.
Исследование диэлектрических и переключательных характеристик сегнетоэлектрических пленок титаната свинца и цирконатаЦтитаната свинца показывают, что и пленки титаната свинца, и пленки цирконатаЦтитаната свинца на поликоре обладают большими значениями коэрцитивного поля по сравнению с пленками на подложках из кремния (табл. 1).
Таблица 1. Диэлектрические и переключательные характеристики сегнетоэлектрических пленок.
Ps max Ec (kV/cm), Eb (kV/cm), (С/cm2) 20 С, 100 20 С, 1Hz Hz PbTiO3 (Al2O3) 15-18 200-300 7000 110-120 50-Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 28-32 300-400 14000 40-80 20-(Al2O3) PbTiO3 (Si) 15-22 200-250 6500 40-50 25-Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 23-25 200-300 7000 30-40 10-(Si) Это означает, что размеры нанодоменов, формируемых с помощью кантилевера АСМ в пленках на поликоре, при прочих равных условиях всегда должны оказываться меньшими, чем в пленках на подложках из кремния, что и подтверждается в эксперименте.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Исследованы изменения, возникающие в токах переключения пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца, подвергшихся многократному переключению. Показано, что с увеличением числа циклов переключения наблюдается уменьшение максимума тока переключения, времени переключения и переключаемой поляризации, растут коэрцитивное поле и внутреннее поле смещения.
Деградация происходит сильнее при больших значениях внешних полей, меньших частотах и более высоких температурах.
2. Интенсивность процессов усталости существенно зависит от материала и характеристик подложки: при одном и том же значении переключающего поля пленки на кремневой подложке выдерживают большее количество циклов переключения и, следовательно, более устойчивы к явлению усталости по сравнению с пленками на поликоре. Другим фактором, влияющим на усталость, является толщина образца. Для пленок меньшей толщины, которые характеризуются большими значениями внутреннего и коэрцитивного полей, наблюдается заметное ухудшению их усталостных свойств по сравнению с более толстыми пленками.
3. Наблюдаемая в эксперименте усталость объясняется закреплением переключаемой поляризации дислокациями. Заряженные дислокации испытывают постоянную составляющую силы, движущую дислокации данного типа в одном направлении. Длительное действие такой силы приводит к разделению дислокаций разного знака, обеспечивающему накопление необходимых упругих и электрических компенсационных полей вблизи поверхности пленки или границ обратных доменов.
4. В рамках дислокационной модели в соответствии с экспериментом критическое значение циклов переключения уменьшается с ростом амплитуды поля и температуры, поскольку в последнем случае растет подвижность дислокаций.
Кроме того, критическое значение циклов переключения уменьшается с уменьшением частоты, причиной которого является увеличения длительности действия электрического поля, движущего заряженные дислокации.
5. Наличие подложки приводит к формированию в тонких сегнетоэлектрических пленках связанного с несимметричностью гетероструктуры пленка - подложка внутреннего смещающего поля, которое способствует высокой пироэлектрической и эмиссионной активности пленок. Формирование указанного поля может быть связано с возникновением вблизи границы раздела сегнетоэлектрик - подложка дислокаций несоответствия, порожденных различием линейных размеров элементарных ячеек в сегнетоэлектрическом материале и подложке.
6. Изучены закономерности формирования нанодоменов в сегнетоэлектрических пленках, полученных на различных подложках. Установлена корреляция между размерами нанодоменов и величиной коэрцитивного поля сегнетоэлектрической пленки. Рост концентрации дефектов кристаллической структуры, а также энергии взаимодействия доменных границ с дефектами приводит к росту коэрцитивного поля и тем самым - к уменьшению размеров формируемых нанодоменов.
При прочих равных условиях размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе в пленках на поликоре, отличающихся большими значениями коэрцитивного поля, оказываются меньшими, чем в пленках на подложках из кремния.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях:
1. Сидоркин А.С. Усталость тонких пленок титаната свинца и цирконатаЦтитаната свинца с различными значениями коэрцитивного и внутреннего полей / А.С.
Сидоркин, Л.П. Нестеренко, Б.М. Даринский, А.А. Сидоркин, Г.Г. Булавина, Е.В. Ионова // Известия РАН. Серия физическая, - 2010. - Т.74, № 9 - С.1367 - 1369.
2. Sidorkin A.S. Pyroelectric Properties of Lead Zirconate-Titanate Thin Films / A.S.
Sidorkin, S.D. Milovidova, O.V. Rogazinskaya, S.V. Ryabtsev, E.V. Ionova, A.B.
Plaksitsky, S.A. Bavykin // Ferroelectrics. - 2010. - V.397 - P.108 - 111.
3. Миловидова С.Д. Сегнетоэлектрические свойства нанокомпозита гидрозоля SiO2-TGS / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С. Сидоркин, Т.Н. Пояркова, С.А. Бавыкин, Е.В. Ионова // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. - Т.74, №9. - С.1351 - 1354.
4. Миловидова С.Д. Внутреннее смещающее поле в кристаллах ТГС с L, аланином, выращенных при отрицательных температурах / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С. Сидоркин, Е.В. Ионова, А.П. Кириченко, С.А. Бавыкин // Кристаллография. - 2010. - Т.55, N.5. - C.877 - 879.
В других журналах и изданиях:
5. Рогазинская О.В. Структура и свойства кристаллов ТГС, выращенных при температурах ниже 00С / О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, А.С. Сидоркин, А.Н.
Юрьев, О.Б. Яценко, Е.В. Ионова, Т.А. Артемьева, Ж.Д. Стеханова // Материалы Международной научно-практической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - Москва, 2004. - С.31-33.
6. Миловидова С.Д. Влияние температурного отжига на диэлектрическую нелинейность кристаллов ТГС, выращенных при температурах ниже 0 С / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С. Сидоркин, О.Б. Яценко, Е.В. Ионова, А.Н.
Юрьев // Материалы 4-ой Международной научно-технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - Москва, 2006. - С.22 - 25.
7. Рогазинская О.В. Свойства нанопористого оксида алюминия с включениями сегнетоэлектрического триглицинсульфата / О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, А.С. Сидоркин, В.В. Чернышев, Е.В. Ионова // Материалы 4-ой Международной научно-технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - Москва, МИРЭА, 2006. - Ч.3. - С.279 - 281.
8. Плаксицкий А.Б. Кинетика электростимулированной эмиссии электронов облученных кристаллов ТГС / А.Б. Плаксицкий, А.С. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, Н.Г. Бабичева, Е.В. Ионова, С.М. Денисов // Материалы V-ой Международной научно-технической школы-конференции Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике. - Москва, Энергоатомиздат, 2008. - Ч.2. - С.25 - 27.
9. Миловидова С.Д. Свойства нанокомпозита гидрозоля SiO2-TGS / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, А.С. Сидоркин, С.А. Бавыкин, Е.В. Ионова // Труды IIой Научно-технической конференции Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники - Пенза, 2009.
Ц C.181 - 184.