WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

выраженный гистерезис, что однозначно указывает на составляет приблизительно +4.2 · 107 и -21.6 · 107 V/m, наличие двух состояний поляризации в пленке. что при положительной полярности практически совпадает со средней величиной макроскопического Используем данные рис. 3, f для оценки коэрцитивного коэрцитивного поля для данного образца 4 · 107 V/m, поля (поля переключения поляризации) и пьезомодуля I а при отрицательной полярности отличается от в пленке. Импульсная зависимость H при переходе этой величины более чем в 5 раз. Асимметрия из одного состояния в другое пересекает среднюю значений может быть связана с наличием встроенного между двумя состояниями линию при значениях электрического поля на интерфейсе пленки с несущим внешнего напряжения примерно +1.5 и -8 V. В первом электродом, а также с механическими напряжениями приближении приложенный потенциал распределяется равномерно по всей толщине (37 nm) монокристалли- в сегнетоэлектрике [20]. Следует также отметить, что не обязательно все приложенное напряжение падает ческой пленки, поэтому локальное коэрцитивное поле Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1114 А.В. Анкудинов, А.Н. Титков Рис. 4. Контактное ЭСМ-исследование образца монокристаллической пленки PbZr0.47Ti0.53O3 (001). a — топографическое изображение, b — ЭМО-изображение, c — изображение сигнала жесткости. Сигнал ЭМО (H, сигнал MagSin в приборе Solver P47) возбуждался на частоте 30.175 kHz при амплитуде Uac = 3V, Udc = 0; для возбуждения сигнала жесткости (S, сигнал Mag в приборе Solver P47) переменное напряжение на той же частоте с амплитудой 0.1 V подавалось на z -обкладки сканера, несущего образец. В правом верхнем углу каждого изображения приведены данные Фурье-анализа. Сечения сигналов топографии (d), ЭМО (f) и жесткости (g) получены вдоль светлых линий на соответствующих изображениях. e — гистерезис импульсной зависимости сигнала ЭМО.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Атомно-силовая микроскопия поляризационных доменов в сегнетоэлектрических пленках на сегнетоэлектрической пленке; часть напряжения сформированы искусственные поляризационные домеможет распределиться на диэлектрическом зазоре ны [21]. Естественное (монодоменное) состояние пленАСМ-зонд–поверхность пленки [10]. Это означает, что ки соответствует светлым тонам изображения. На их приведенные значения локальных коэрцитивных полей фоне отчетливо наблюдается периодическая квадратная можно рассматривать как оценку сверху. Согласно сетка (15 15) более темных областей, на которых выражению (2) и рис. 2, высота гистерезиса сигнала осуществлялась литография — приложение импульсов I H, деленная на амплитуду переменного сигнала, напряжения с амплитудой -9 V и длительностью 1 ms.

задает удвоенное значение пьезомодуля dzz. Для В верхнем правом углу на рис. 4, b приведен двумервычисления значения пьезомодуля подставим в (2) ный Фурье-образ изображения с четкими рефлексами, амплитуду переменного напряжения, возбуждающего отражающими двухсотнанометровую периодичность сопьезоотклик (1V); коэффициент перевода наноамперов зданной доменной структуры. Сечение сигнала ЭМО в нанометры, измеренный по стандартной методике H вдоль светлой линии, идущей через участок литоприбора P47H [19] (40 nm/nA); коэффициент графии, показано на рис. 4, f. На отрезке между 0.8 и усиления сигнала (400). В результате получаем dzz 3.8 µm наблюдается периодическое колебание сигнала (0.25 nA ·40 nm/nA)/(1V· 400·2) =12.5pm/V. Най- между верхним ( +0.25 nA) естественным и нижним денная величина согласуется с ранее опубликованными (-0.7nA) искусственным состояниями.

данными, полученными с помощью АСМ на тонких Следует отметить, что на топографическом изобрапленках PbZrTiO3 в работе [9], где величина dzz жении (рис. 4, a), полученном одновременно с данными составляет несколько pm/V. рис. 4, b, отсутствует какая-либо периодическая структуВеличина емкостного вклада в нулевом поле ра, и Фурье-образ топографического изображения имеет (Udc = 0), как было отмечено выше, определяется сдви- диффузный вид. Это подтверждает преимущественно гом импульсной зависимости в вертикальном направ- поляризационный контраст искусственной структуры в I лении. Из-за асимметрии проявления в H верхнего середине изображения на рис. 4, b. Однако детальное (+0.05 nA) и нижнего (-0.2nA) поляризационных со- сравнение рис. 4, a и b позволяет обнаружить довольно стояний (рис. 3, f) емкостный вклад в точке измерения большое количество коррелированных изменений сиггистерезиса составляет -0.075 nA, т. е. более 30% от налов ЭМО H и топографии. Например, на рис. 4, a высоты гистерезиса. При фиксированном Udc (в частно- стрелкой обозначено светлое пятнышко — бугорок высти, равном нулю) вариации емкостного вклада задаются сотой около 5 nm, который совпадает с темной областью в основном локальным значением жесткости k. Увели- на рис. 4, b. Такие темные области на рис. 4, b не связаны чение (уменьшение) жесткости в силу зависимости (2) с нижним состоянием поляризации и отражают лишь I смещает целиком петлю гистерезиса H вверх (вниз), изменение дополнительной емкостной составляющей в т. е. независимо от поляризационного состояния сигнал сигнале ЭМО H.

ЭМО увеличивается (уменьшается). Если вариации k На рис. 4, c приведено изображение сигнала жесткоопределять по сигналу жесткости, то на качественном сти, полученное одновременно с топографией и сигнауровне учет паразитного емкостного вклада можно све- лом ЭМО. Сравнение изображений на рис. 4, b и c, а таксти к поиску и анализу совпадений в изображениях же соответствующих сечений на рис. 4, f и g показывает, сигналов ЭМО и жесткости. что периодическая структура поляризационных доменов Рис. 4 объединяет совокупность данных, иллюстриру- никак не проявляется в жесткости. С другой стороны, доющих предложенный выше подход. Исследование велось полнительный вклад емкости в сигнале ЭМО выявляется на монокристаллической пленке PbZr0.47Ti0.53O3 (001) по наличию совпадения контраста в сигналах жесткости толщиной 37 nm со средней шероховатостью поверх- и ЭМО. Для образцов с относительно гладкой поверхноности на уровне нескольких нанометров (см. АСМ- стью данные топографии и жесткости дают практически топографию на рис. 4, a и соответствующее ей сечение один и тот же объем информации о дополнительном на рис. 4, d). На рис. 4, e показана характерная для емкостном вкладе в ЭМО. Если же поверхность имеет данного участка пленки гистерезисная зависимость им- сильно развитый рельеф, сигнал жесткости оказывается пульсного ЭМО; она выявляет два поляризационных со- более информативным и позволяет получить более точстояния в пленке. Состояние поляризации соответству- ную картину структуры поляризационных доменов.

ет уровню сигнала H +0.25 nA, а противоположное Необходимость одновременного измерения трех сигему состояние поляризации наблюдается при уровне налов — ЭМО, топографии и жесткости — иллюстрисигнала -0.7 nA. Полное переключение поляризации руется на рис. 5. На нем приведены данные исследовапроисходит при высоте импульса больше порогового, ния поликристаллической пленки PbZr0.47Ti0.53O3 (111) составляющего приблизительно 5 V, а дальнейшее уве- толщиной 100 nm. На изображениях сигнала топографии личении высоты импульса практически не меняет уровня (рис. 5, a и d) выявлена зернистая структура пленки (с сигнала. характерным перепадом по высоте 30 nm). Рассмотрим На рис. 4, b показано изображение сигнала ЭМО зерна 1 и 2, обведенные контуром на рис. 5, a, а также H, полученное на участке поверхности, на котором зерно 3, обведенное контуром на рис. 5, d. Контраст предварительно методом растровой литографии были сигнала ЭМО (рис. 5, b и e) внутри зерен 1, 2 и Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1116 А.В. Анкудинов, А.Н. Титков I смещения петли гистерезиса H на рис. 2) пропорционален 1/k. Следует подчеркнуть, что при увеличении k смещение может происходить как вверх, так и вниз.

Это зависит от наклона средней линии динамической петли гистерезиса и от положения точки пересечения этой средней линии с осью абсцисс (рис. 2). Заметим, что по экспериментальным данным (рис. 3, c) средняя контактная разность потенциалов положительна; положительна она и для областей образцов, представленных на рис. 4 и 5 [21]. Важно также, что и средний наклон динамической зависимости в этих трех случаях выбирался положительным (наклон зависимости ЭМО на рис. 3, c может быть и отрицательным, так как он регулируется разностью фаз между сигналом ЭМО и опорным сигналом синхронного детектора).

Именно благодаря реализации этих двух условий при возрастании сигнала жесткости сигнал ЭМО также возрастает, и дополнительный вклад емкости выявляется по наличию совпадения контраста в сигналах ЭМО и жесткости. Если же наклон динамической зависимости отрицательный (положительный), а средняя контактная разность потенциалов положительная (отрицательная), то дополнительный вклад емкости должен выявляться по антикорреляции сигналов ЭМО и жесткости.

Наконец, следует уточнить два момента. Во-первых, сигнал жесткости, измеренный в режиме модуляции силы, напрямую зависит от вариаций жесткости контакта зонд–поверхность kc [16,19], а не жесткости k.

Во-вторых, жесткость k зонда, контактирующего с поверхностью, отличается от жесткости свободного зонда k. Оценим сначала масштабы изменений соотношения k/k. Для этого удобно рассматривать зонд в виде стержня, один конец которого защемлен, а для другого конца возможны три условия закрепления: свободный, опертый и защемленный. Чем меньше свободы у второго Рис. 5. Контактное ЭСМ-исследование образца поликриконца стержня, тем выше жесткость всего стержня.

сталлической пленки PbZr0.47Ti0.53O3 (111) толщиной 100 nm.

Соотношение k/k в этих ситуациях можно оценить a и d — топографические изображения, b и e — ЭМО-изобрапо известным (см. стр. 121 в [22]) аналитическим жения, c и f — изображения сигнала жесткости. Масштабы зависимостям слабого прогиба стержня под влиянием изображений a-c и d-f —- заданы отрезками под изображенисобственного веса. Если для простоты считать, что ями a и d. Области изображений с зернами 1–3, обсуждаемые коэффициент жесткости пропорционален смещению сев тексте, обведены контурами.

редины стержня, то при переходе от свободного конца к опертому система становится на порядок жестче и еще приблизительно в 2 раза жестче при переходе от опертоменяется. Отсюда можно предположить, что в каждом го конца к защемленному. Похожую картину поведения зерне находится несколько доменов разной поляризации.

соотношения k/k в зависимости от условий закрепНа зерне 3 сигнал жесткости (рис. 5, f) неоднороден по ления дает и численное моделирование отклика зонда контрасту, причем возрастает и убывает практически на АСМ, контактирующего с поверхностью, которое было тех же наноскопических областях, что и сигнал ЭМО проведено в работе [23]. В ней условия закрепления (рис. 5, e). Таким образом, зерно 3 не мультидоменное второго конца зонда задавались величиной жесткости и поляризовано однородно. С другой стороны, сигнал контакта kc, которая вычислялась из аналитического жесткости (рис. 5, c) внутри зерен 1 и 2 имеет одно- решения контактной задачи Герца (см. стр. 46 в [22]).

родный контраст. Следовательно, каждое из этих зерен Для обоснования предложенного нами подхода важно, действительно содержит два различно поляризованных что коэффициенты k и kc ведут себя одинаково при домена.

изменении локальной кривизны рельефа: оба возрастают Для пояснения изложенного выше вернемся к выраже- в ямках и уменьшаются на возвышенностях. Точно такое нию (2), согласно которому емкостный вклад в сигнал же поведение и у измеренного в режиме модуляции силы ЭМО (или, другими словами, величина вертикального сигнала жесткости, пропорционального kc/k [16,19].

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Атомно-силовая микроскопия поляризационных доменов в сегнетоэлектрических пленках 4. Заключение [19] http://www.ntmdt.ru.

[20] A. Gruverman, A. Kholkin, A. Kingon, H. Tokumoto. Appl.

Phys. Lett. 78, 2751 (2001).

Таким образом, в данной работе представлена ком[21] A.V. Ankudinov, A.N. Titkov. Proc. Int. Workshop SPM-2004.

плексная методика исследования тонких сегнетоэлектриNizhny Novgorod (2004). P. 60.

ческих пленок с помощью АСМ. Показана необходи[22] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория упругости. Физматлит, мость в дополнение к сигналам топографии и ЭМО М. (2001).

проводить одновременные измерения сигнала жесткости.

[23] U. Rabe, J. Janser, W. Arnold. Rev. Sci. Instr. 67, 9, Сигнал жесткости позволяет осуществлять более точное (1996).

определение структуры поляризационных доменов в пленке и помогает разделить в сигнале ЭМО eмкостный вклад и пьезоотклик. Разработанный подход проиллюстрирован на примере исследования монокристаллических PbZr0.47Ti0.53O3 (001) и поликристаллических PbZr0.47Ti0.53O3 (111) сегнетоэлектрических пленок с размером кристаллитов около 100 nm.

Авторам приятно поблагодарить А. Цветкова за помощь в проведении экспериментов, а также А. Емельянова, В. Кухаря и Н. Перцева за обсуждение работы.

Список литературы [1] O. Kolosov, A. Gruverman, J. Hatano, K. Takahashi, H. Tokumoto. Phys. Rev. Lett. 74, 4309 (1995).

[2] D. Damjanovic. Rep. Prog. Phys. 61, 1267 (1998).

[3] А.С. Сигов. Сорос. образоват. журн. 10, 83 (1996).

[4] Yasuo Cho, Kenjiro Fujimoto, Yoshiomi Hiranaga, Yasuo Wagatsuma, Atsushi Onoe, Kazuya Terabe, Kenji Kitamura.

Appl. Phys. Lett. 81, 23, 4401 (2002).

[5] K. Franke, H. Huelz, M. Weihnacht. Surf. Sci. 415, (1998).

[6] J.W. Hong, K.H. Noh, Sang-iL Park, S.I. Kwun, Z.G. Khim.

Phys. Rev. B 58, 5078 (1998).

[7] Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications / Ed. D.A. Bonnell. Willey-VCH, N. Y. (2001). Ch. 7.

[8] A. Gruverman, B.J. Rodriquez, R.J. Nemanich, A.I. Kingon.

J. Appl. Phys. 92, 2734 (2002).

[9] M. Alexe, C. Harnagea, D. Hesse, U. Gsele. Appl. Phys. Lett.

79, 242 (2001).

[10] S.V. Kalinin, D.A. Bonnell. Phys. Rev. B 65, 125 408 (2002).

[11] S. Honga, J. Woo, H. Shin, J.U. Jeon, Y. Eugene Pak, E.L. Colla, N. Setter, E. Kim, K. No. J. Appl. Phys. 89, (2001).

[12] М. Лайнс, А. Гласс. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. Мир, М. (1981). 736 с.

[13] S. Sridhar, A.E. Giannakopoulos, S. Suresh, U. Ramamurty.

J. Appl. Phys. 85, 380 (1999).

[14] A.E. Giannakopoulos, S. Suresh. Acta Mater. 47, 2153 (1999).

[15] S.V. Kalinin. Ph. D. Thesis. http://sergei2.kalininweb.com (2002).

[16] P. Maivald, H.J. Butt, S.A.C. Gould, C.B. Prater, B. Drake, J.A. Gurley, V.B. Elings, P.K. Hansma. Nanotechnology 2, (1991).

[17] J. Rodriguez Contreras, J. Schubert, U. Poppe, O. Trithaveesak, K. Szot, Ch. Buchal, H. Kohlstedt, R. Waser. Mat.

Res. Soc. Symp. Proc. 688, C8.10 (2002).

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.