WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 6 Диэлектрические свойства тонких пленок титаната свинца на подложке из поликора © А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко, Г.Л. Смирнов, А.Л. Смирнов, С.В. Рябцев Воронежский государственный университет, 394062 Воронеж, Россия E-mail: sidorkin@dom.vsu.ru Синтезированы сегнетоэлектрические пленки титаната свинца на подложке из поликора (Al2O3). Определены основные параметры, характеризующие наличие диэлектрического гистерезиса: спонтанная поляризация, коэрцитивное поле, внутреннее поле смещения, температура фазового перехода. Методом импедансной спектроскопии исследована дисперсия диэлектрической проницаемости в широком температурном и частотном диапазонах. Выявлена аномалия на частотных зависимостях комплексной диэлектрической проницаемости в области частот порядка 107 Hz.

Работа выполнена при поддержке гранта VZ-010 Американского фонда гражданских исследований и развития, а также Министерства образования и науки Российской Федерации.

PACS: 77.22.-d, 77.22.Ch, 77.55.+f, 77.84.Dy Тонкие сегнетоэлектрические пленки находят широ- условиями: соотношением свинца и титана в исходных кое практическое применение. На их основе созда- компонентах, температурой и временем отжига. Ранее ется новое поколение приборов микроэлектроники и было показано [9], что для получения качественных оптоэлектроники, тонкопленочных конденсаторов, пиро- пленок необходимо избыточное количество свинца в исэлектрических сенсоров, пьезоэлектрических датчиков и ходных компонентах при напылении, так как при послет. д. [1–5]. Среди многочисленных сегнетоэлектрических дующем термическом отжиге происходит интенсивное веществ наибольший интерес проявляется к пленкам испарение летучего оксида свинца. Экспериментально со структрой перовскита, таким как PbTiO3 [1,6]. По- установлено, что наиболее яркие сегнетоэлектрические этому важным вопросом является получение и изуче- свойства проявляются в пленках с соотношением свинца ние свойств подобных пленок. В настоящей работе и титана в исходных компонентах: Pb / Ti = 1.25. Оптимальным оказался режим непрерывного отжига от исследуются дисперсия диэлектрической проницаемости комнатной температуры до 700C в течение часа.

и изменение с температурой диэлектрических свойств Рентгенофазовый анализ синтезированных структур пленок титаната свинца.

показал, что преобладающей фазой в синтезированной структуре является PbTiO3 с незначительным включени1. Синтез и структура пленок ем непрореагировавших оксидов металлов. Исследование морфологии поверхности пленки методом атомной Пленки титаната свинца на подложке из поликора силовой микроскопии показало, что синтезированная (Al2O3) были синтезированы послойным напылением пленка является поликристаллической с размерами крититана и свинца. Металлические слои наносились на сталлитов от 400 до 600 nm в ширину и от 600 до 900 nm подложки методом магнетронного распыления металв высоту.

лов в плазмообразующей среде аргона Ar. Распыление проводилось в едином технологическом цикле при давлении 3.3 · 10-3 Pa [7]. В дальнейшем производился 2. Характеристика диэлектрических отжиг полученных структур в атмосфере кислорода.

свойств Сначала происходила реакция окисления свинца, а затем активный оксид свинца взаимодействовал с титаном.

Для диэлектрических измерений использовались плаВ результате получались поликристаллические пленки тиновые электроды. Величина измерительного напряжетитаната свинца. Толщина пленок составляла 1 µm.

ния составляла 0.1 V. Проведенные измерения показаВыбор поликора в качестве подложки обусловлен ли, что температурная зависимость действительной чапреимуществами этого материала по сравнению с дру- сти комплексной диэлектрической проницаемости (T ) гими, исследованными нами ранее [8]. Главное преиму- имеет максимум при температуре 498C, что соответщество — химическая инертность данного вещества: при ствует фазовому переходу [10]. Наличие температурного отжиге и дальнейших высокотемпературных измерениях гистерезиса точки Кюри, отличие в 4 раза угловых поликор не взаимодействует с веществом пленки и коэффициентов температурной зависимости обратной соответственно не влияет на ее свойства. диэлектрической проницаемости, значение константы В процессе исследований был подобран оптимальный Кюри (C 4 · 105C) подтверждают предположение о режим получения стехиометрического состава пленок реализации фазового перехода первого рода в синтезиPbTiO3 [9], который определяется тремя основными рованных пленках.

Диэлектрические свойства тонких пленок титаната свинца на подложке из поликора Петли диэлектрического гистерезиса для синтезированных пленок титаната свинца имеют характерный для сегнетоэлектрических материалов вид. Коэрцитивное поле EC пленок колеблется от 30 до 100 kV / cm, значения спонтанной поляризации PS —от 14 до 20 µC/ cm2.

С ростом температуры значения коэрцитивного поля и спонтанной поляризации убывают и обращаются в нуль в точке Кюри. Вид зависимости PS(T ) также характерен для сегнетоэлектрика с фазовым переходом первого рода.

3. Дисперсия диэлектрической проницаемости Для исследования дисперсии диэлектрической проницаемости проводились измерения полного сопротивления образцов при помощи анализатора импеданса „Solartron-1260“ на различных частотах. Прибор позволял плавно менять частоту, что дало возможность получить практически непрерывный спектр. Измерительное напряжение составляло 100 mV, относительная Рис. 2. Частотные зависимости действительной (a) и мнимой (b) диэлектрической проницаемости пленок PbTiO3 на по ликоровой Al2O3 подложке при различных температурах T, C:

1 — 230, 2 — 445, 3 — 498, 4 — 530 и 5 — 550.

погрешность измерений при этом не превышала 0.1%.

Исследуемый частотный диапазон составлял от 1 kHz до 30 MHz, температурный интервал — от 20 до 600C, т. е. включал в себя и сегнетоэлектрическую, и параэлектрическую фазы PbTiO3. Комплексная диэлектрическая проницаемость рассчитывалась из величины импеданса по традиционным формулам.

На рис. 1, a представлены температурные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости, измеренные на различных частотах. Как видно из представленных графиков, дисперсия диэлектрической проницаемости наблюдается во всем исследуемом температурном интервале как в сегнетоэлектрической, так и в параэлектрической фазе. С увеличением частоты значение уменьшается. Наибольшая дисперсия наблюдается при температуре фазового перехода. Температурная зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости (T ) имеет характерный вид (рис. 1, b). Максимумы на кривых отсутствуют. Диэлектрические потери, Рис. 1. Температурные зависимости действительной (a) и связанные с проводимостью, уменьшаются с частотой, мнимой (b) диэлектрической проницаемости тонких пленок типричем точка перегиба, разделяющая области „слабой“ таната свинца на подложке из поликора Al2O3 при различных частотах f, kHz: 1 —1, 2 — 10, 3 — 100, 4 —103 и 5 —104. и „сильной“ дисперсии, при которой начинается резкое Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1120 А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко, Г.Л. Смирнов, А.Л. Смирнов, С.В. Рябцев увеличение мнимой части диэлектрической проницае- Список литературы мости, смещается в сторону высоких температур с [1] L.M. Sheppard. Ceramic Bulletin 71, 1, 85 (1992).

ростом частоты. Таким образом, дисперсия проявляется [2] M. Okuyama, J. Asano, T. Imai, D.H. Lee, Y. Hamakawa. Jpn.

сильнее при высоких температурах. Поэтому можно J. Appl. Phys. 32, 9B, 4107 (1993).

предположить, что в пленках PbTiO3 дисперсия имеет [3] D.C. Shye, C.C. Hwang, M.J. Lai, C.C. Jaing, J.S. Chen, релаксационный характер.

S. Huang, M.H. Juang, B.S. Chiou, H.C. Cheng. Jpn. J. Appl.

На рис. 2, a показаны частотные зависимости диэлекPhys. 42, 2A, 549 (2003).

трической проницаемости, полученные при различных [4] G. Velu, D. Remiens. Vacuum 56, 199 (2000).

фиксированных температурах. Наибольшее изменение [5] D.H. Lee, J.S. Lee, S.M. Cho, H.J. Nam, J.H. Lee, J.R. Choi, происходит приблизительно до частоты 1 MHz, потом K.Y. Kim, S.T. Kim, M. Okuyama. Jpn. J. Appl. Phys. 34, 5A, значение с частотой меняется медленно. В дальней- 2453 (1995).

[6] П.А. Щеглов, С.А. Меньших, Л.Ф. Рыбакова, Ю.Я. Томашшем, начиная с 6.5 MHz, наблюдается резкое уменьпольский. Неорган. материалы 36, 4, 470 (2000).

шение, а затем при 19 MHz — максимум действи[7] А.С. Сидоркин, А.С. Сигов, А.М. Ховив, О.Б. Яценко, тельной части диэлектрической проницаемости. Точка В.А. Логачева. ФТТ 44, 745 (2002).

перегиба находится на частоте 14 MHz. Аналогичная картина наблюдается и для частотной зависимости [8] А.С. Сидоркин, А.М. Солодуха, Л.П. Нестеренко, С.В. Рябцев, И.А. Бочарова, Г.Л. Смирнов. ФТТ 46, 1841 (2004).

(рис. 2, b). До 1 MHz происходит интенсивное измене[9] А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко, И.А. Бочарова, ние при высоких температурах (начиная с 400C Г.Л. Смирнов, С.В. Рябцев. Матер. Междунар. конф. „Реи в параэлектрической области), а на 14 MHz имеетлаксация в полиматериалах“. МИРЭА, М. (2003). С. 113.

ся максимум (что соответствует точке перегиба для [10] A.S. Sidorkin, L.P. Nesterenko, I.A. Bocharova, V.A. Sidorkin, ( f )). Подобная аномалия дисперсии диэлектрической G.L. Smirnov. Ferroelectrics 286, 335 (2003).

проницаемости может быть связана с колебаниями до- [11] Л.П. Нестеренко. Канд. дис. Воронежский госуниверситет, Воронеж (1997). С. 58.

менных стенок. В пользу этого говорит тот факт, что [12] А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко. ФТТ 37, 12, 3747 (1995).

в парафазе максимум на зависимостях ( f ) и ( f ) [13] Б.М. Даринский, А.С. Сидоркин, А.М. Косцов. Изв.

исчезает. Количественные оценки собственной частоты АН СССР. Сер. физ. 55, 3, 583 (1991).

трансляционных колебаний доменных границ, сделан[14] Б.М. Даринский, В.В. Горбунов. Изв. АН СССР. Сер. физ.

ные в [11], показывают следующее. Частота колебаний 53, 7, 1292 (1989).

доменных стенок 2 = K/m, где m — эффективная масса доменной стенки, K — коэффициент квазиупругой силы. Эффективная масса доменной стенки в сегнетоэлектрике с учетом пьезоэлектрического раскачивания окружающей границу поверхностной области материала имеет порядок m 10-2 [12], значение K 1012-было оценено в [13,14]. Таким образом, собственная частота колебаний доменных границ по оценкам составляет величину порядка (1-3) · 107 Hz. Как видно из проведенных оценок, полученное значение соответствует той области, в которой наблюдается аномалия на частотных зависимостях диэлектрической проницаемости.

4. Заключение Синтезированные пленки PbTiO3 обладают высокими значениями диэлектрической проницаемости, наличием значительного диэлектрического гистерезиса, высоким значением спонтанной поляризации, существованием фазового перехода первого рода и высокой температурой Кюри. В исследуемых частотном (103-107 Hz) и температурном (20-600C) диапазонах полученные сегнетоэлектрические пленки PbTiO3 на подложках из поликора демонстрируют релаксационный характер дисперсии диэлектрической проницаемости. В области частот 107 Hz наблюдается аномалия в зависимостях ( f ) и ( f ), которая может быть связана с колебаниями доменных стенок.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып.




© 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.