WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 6 Механизмы возникновения и релаксации самопроизвольной поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках © В.П. Афанасьев, И.П. Пронин, А.Л. Холкин Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ“, 197376 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет Авейро, Авейро, Португалия E-mail: petrovich@mail.ioffe.ru Обсуждается природа и механизмы возникновения самопроизвольной поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках в процессе формирования тонкопленочной конденсаторной структуры и ее релаксации под воздействием электрического поля, температуры и освещения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-02-16738) и Федерального агенства по образованию РФ (проект № 75112).

PACS: 77.22.Ej, 77.84.Dy Природа самопроизвольной макроскопической поля- на сегнетоэлектрическую пленку также может усилить ризации (самополяризации), которая наблюдается в ряде (или ослабить) эффект самополяризации [5,16]. В послучаев в тонких сегнетоэлектрических пленках, до сих следнее время возможной причиной самополяризации пор вызывает споры, и для ее объяснения предлагают- называют флексоэлектрический механизм, возникающий ся различные механизмы, связанные с действием как из-за различных коэффициентов расширения пленки и электрических полей, так и механических сил. Наиболее подложки и приводящий к изгибной деформации подподробно эффект исследован в тонкопленочных конден- ложки с нанесенной на нее многослойной структусаторных структурах с сегнетоэлектрическими слоями рой [17,18].

на основе титаната свинца PbTiO3 (PZT, PLZT и PLT), а В настоящей работе на основе проведенных экспетакже титаната бария BaTiO3.

риментов и ранее опубликованных работ обсуждаются причины, приводящие к появлению и релаксации самоСтепень самопроизвольной поляризованности тонких поляризованного состояния в тонких пленках PZT.

пленок зависит от множества факторов, среди которых наиболее значимыми являются степень текстурирован- Тонкие пленки PZT толщиной 0.5-1 µm осаждались ности поликристаллических пленок [1], температура на подложки из ситалла и кремния ВЧ-магнетронным формирования перовскитовой фазы [2], концентрация распылением при низкой температуре, а затем отжигадефектов и вводимых в пленку примесей [3], мате- лись при 550C [19]. Структурные исследования, провериал подложки [4,5], различные материалы нижнего денные ранее [19,20], показали, что пленки имели пои верхнего электродов [6]. Самополяризация меняет ликристаллическую структуру с характерным размером ориентацию по мере добавления в распыляемую мишень кристаллитов 100-200 nm и выраженной 111 -текcтуоксида свинца [7], уменьшается с ростом толщины [8] рой. В качестве электродов тонкопленочного сегнетои соотношения Zr/Ti в пленках PZT [8,9]. Высокотем- электрического конденсатора использовалась платина.

пературный отжиг (выше температуры Кюри) может Изучались пленки, распыленные из мишеней стехиометприводить к полному исчезновению самополяризованно- рического состава и мишеней, содержащих дополнительго состояния [8,10,11], однако, согласно [12], в пленках но 10% PbO или 3% Nb2O5.

титаната бария отжиг не приводит к исчезновению Сравнительное исследование электрофизических самополяризации.

свойств таких пленок показало следующее.

Для объяснения эффекта привлекаются представле- 1) Пленки, полученные распылением мишеней стения о поляризующем воздействии объемного заряда, хиометрического состава, не проявляли свойств, халокализованного на нижнем интерфейсе тонкой плен- рактерных для самополяризованного состояния. Петли ки [8,13,14], поляризующем действии электрического по- гистерезиса и C-V -характеристики имели симметричля барьера Шоттки, высота которого при использовании ный вид. Термодеполяризационные токи, полученные на электродов из разных материалов может существенно предварительно поляризованных образцах, при быстром различаться на нижнем и верхнем интерфейсах плен- нагреве образцов до температур, близких к температуки [8]. Другие объяснения основаны на предположении ре Кюри, соответствовали распаду макроскопического образования неоднородного по толщине пленки объем- полярного состояния (рис. 1, a). Изучение локальноного заряда или упорядоченного расположения диполь- го пьезоотклика с использованием пьезоэлектрического ных моментов примесей в кристаллической решетке [15]. атомно-силового микроскопа показало, что распределеДействие линейных сжимающих (растягивающих) сил ние пьезоотклика по площади пленки также имеет сим1144 В.П. Афанасьев, И.П. Пронин, А.Л. Холкин нижнего электрода (рис. 4, a). Такое поведение предполагает электронный тип проводимости в пленке PZT, возникающий за счет кислородных вакансий при введении в пленку избытка либо PbO, либо Nb. Распределение пьезоотклика по площади пленок, содержащих избыток оксида свинца, также асимметрично (рис. 2, b), что указывает на существование макроскопической поляризации, направленной к нижнему интерфейсу. Наряду с направлением тока, соответствующим распаду макроскопической поляризации, при высокой температуре протекал ток противоположного направления, обусловленный релаксацией отрицательного объемного заряда на нижнем интерфейсе (рис. 1, b) [21].

3) Повышение температуры подложки при осаждении пленок с 200 до 300C из-за образования вакансий по свинцу и как следствие изменения типа проводимости с электронного на дырочный приводило к изменению направления внутреннего поля (кривая 2 на рис. 3).

Таким образом, положительный заряд на ловушках нижнего интерфейса пленки PZT ориентировал вектор самополяризации в направлении верхнего электрода.

Рис. 1. Временная зависимость тока деполяризации при нагре вании образца до 250C для пленки, полученной распылением стехиометрической мишени PbZr0.54Ti0.46O3 и поляризованной при +10 V (a), и для пленки, полученной из мишени с 10% избытком PbO и поляризованной при +17 V (b). Кривые отображают процесс нагрева образцов во времени, а кривые 2 —ток.

метричный вид с максимумом распределения, соответствующим нулевому значению пьезоотклика (рис. 2, a).

2) В пленках нестехиометрического состава (с избытком PbO или Nb) петли гистерезиса (кривая 1 на рис. 3) и C-V -характеристики имели асимметричный вид и были сдвинуты в сторону отрицательных напряжений. Это свидетельствует о наличии внутреннего поля, создаваемого отрицательным зарядом на нижнем Рис. 2. Гистограммы пьезоотклика пленок, осажденных из стеинтерфейсе, и вызываемого им самополяризованного хиометрической мишени (a) и содержащих избыток PbO (b), состояния, вектор которого ориентирован в сторону до и после ультрафиолетового облучения.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Механизмы возникновения и релаксации самопроизвольной поляризации... при x = 0.5-0.7 рост величины самополяризации по мере удаления от МРВ, что может являться подтверждением предложенной модели.

Таким образом, формирование самополяризованного состояния в исследуемых нами пленках определяется электрическими полями вблизи интерфейсов, величина которых зависит от плотности зарядов на ловушках нижнего и верхнего интерфейсов и диэлектрической проницаемости пленки PZT, а направление — знаком носителей заряда.

6) Наблюдаемое на МРВ резкое падение (скачок) самополяризации может быть объяснено с учетом воздействия механических напряжений на пленку со стороны подложки. Анализ показал, что характер изменения самополяризации на МРВ зависит от ориентации текРис. 3. Петли гистерезиса пленок PZT, полученных распылением мишени PbZr0.54Ti0.46O3 + 3% Nb2O5 при температурах подложки 200 (1) и 300C (2).

4) Ультрафиолетовое излучение понижало степень асимметрии распределения локального пьезоотклика (рис. 2, b) в пленках с избытком свинца. Причины такого изменения кроются в том, что излучение в основном поглощается в приповерхностном слое пленки и часть генерированных электронов захватывается на ловушки верхнего интерфейса и создает поле, поляризующее приповерхностный слой пленки (рис. 4, b). Приэлектродные области пленки оказываются поляризованными навстречу друг другу, что приводит к понижению самополяризации.

5) Зависимость самополяризации от соотношения x = Zr/(Ti + Zr), выявленная в пленках PZT в [9], также может быть объяснена действием электрического поля локализованных зарядов на интерфейсах (кривая 2 на рис. 5). Если предположить, что плотность ловушек на нижнем интерфейсе не зависит от состава пленок PZT, т. е. что локализованный заряд одинаков, то кривая 2 хорошо описывается в тетрагональной фазе зависимостью (кривая 3) P(x)/Pmax(x) =[th/(x)]1/2, где th — величина диэлектрической проницаемости, при которой самополяризация достигает насыщения Pmax(x), (x) — кривая 1 [9,16]. Монотонное убывание самополяризации в тетрагональной фазе PZT при приближении к морфотропной фазовой границе (МРВ) определяется величиной поляризующего электрического поля на нижнем интерфейсе E0, пропорционального (x)-1/2 [16].

В ромбоэдрической фазе предлагаемая модель, казалось Рис. 4. Схематическая модель пленки PZT, отражающая бы, не работает (кривые 2, 3 на рис. 5). Однако в [8] исходное самополяризованное состояние (a), его изменение в приводятся результаты исследования концентрационной результате ультрафиолетового освещения (b) и после отжига зависимости в ромбоэдрической фазе, которые показали при температуре, близкой к температуре Кюри (c).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1146 В.П. Афанасьев, И.П. Пронин, А.Л. Холкин случае на пленку действуют сжимающие напряжения и величина самополяризации при переходе на ромбоэдрическую фазу должна возрасти (рис. 6, b).

Отмеченное подтверждают результаты излучения самополяризованного состояния пленок PZT, сформированных на подложках из ситалла и кремния [22].

Тем не менее в настоящее время роль механических напряжений (как линейных, так и нелинейных) в формировании самополяризованного состояния изучена недостаточно и требует проведения дальнейших исследований.

Список литературы [1] M. Adachi, T. Matsuzaki, N. Yamada, T. Shiosaki, A. KawaРис. 5. Концентрационные зависимости диэлектрической проbata. Jpn. J. Appl. Phys. 26, 4, 550 (1987).

ницаемости [9] (1) и самополяризации в пленках PZT (2 — [2] H. Maiwa, N. Ishinose, K. Okazaki. Jpn. J. Appl. Phys. 33, эксперимент [9], 3 —расчет).

Pt I, 9B, 5240 (1994).

[3] R.D. Klissurska, A.K. Tagantsev, K.G. Brooks, N. Setter.

Microelectron. Eng. 29, 271 (1995).

[4] K. Iijima, R. Takayama, Y. Tomita, I. Ueda. J. Appl. Phys. 60, 2914 (1986).

[5] T. Ogawa, A. Senda, T. Kasanami. Jpn. J. Appl. Phys. 30, 9B, 2145 (1991).

[6] R. Jimenez, C. Alemany, J. Mendiola. Ferroelectrics 268, (2002).

[7] M. Kobune, H. Ishito, A. Mineshige, S. Fujii, R. Takayama, A. Tomozawa. Jpn. J. Appl. Phys. 37, Pt I, 9B, 5154 (1998).

[8] A.L. Kholkin K.G. Brooks, D.V. Taylor, S. Hiboux, N. Setter.

Integr. Ferroelectrics 22, 525 (1998).

[9] R. Bruchhaus, D. Pitzer, M. Schreiter, W. Wersing. J. Electroceram. 3, 2, 151 (1999).

[10] E.G. Lee, J.S. Park, J.K. Lee, J.G. Lee. Thin Solid Films 310, 327 (1997).

[11] И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, В.П. Афанасьев. ФТТ 44, 9, 1659 (2002).

[12] K. Abe, S. Komatsu, N. Yanase, K. Sano, T. Kamakubo. Jpn.

J. Appl. Phys. 36, Pt I, 9B, 5846 (1997).

[13] J. Frey, F. Schlenkrich, A. Schonecker. Integr. Ferroelectrics 35, 195 (2001).

[14] V.P. Afanasjev, A.A. Petrov, I.P. Pronin, E.A. Tarakanov, E.Ju. Kaptelov, J. Graul. J. Phys. D: Cond. Matter 13, Рис. 6. Расчетная диаграмма изменения самополяризованного (2001).

состояния в области МРВ для 111 -ориентированных пленок [15] D. Dimos, W.L. Warren, M.B. Sinclair, B.A. Tuttle, PZT, сформированных на подложках кремния (a) и ситалла R.W. Schwartz. J. Appl. Phys. 76, 7, 4305 (1994).

СТ-50 (b).

[16] И.В. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев, В.П. Афанасьев. ФТТ 45, 9, 1685 (2003).

[17] E. Sviridov, I. Sem, V. Alyoshin, S. Biryukov, V. Dudkevich.

Vater. Res. Soc. Symp. Proc. 361, 141 (1995).

стурированной пленки и действующих на нее растяги- [18] A. Gruverman, B.J. Rodriguez, A.I. Kingon, R.J. Nemanich, A.K. Tagantsev, J.S. Cross, M. Tsukada. Appl. Phys. Lett. 83, вающих или сжимающих напряжений [16]. Диаграмма, 728 (2003).

представленная на рис. 6, a, находится в согласии с [19] В.П. Афанасьев, Г.Н. Мосина, А.А. Петров, И.П. Пронин, экспериментально наблюдаемым уменьшением самопоЛ.М. Сорокин, Е.А. Тараканов. Письма в ЖТФ 27, 11, ляризации на МРВ в 111 -текстурированной пленке (2001).

PZT (кривая 2 на рис. 5), что связано с действием на [20] V.V. Shvartsman, A.V. Pankrashkin, V.P. Afanasjev, E.Yu. Kapпленку растягивающих напряжений.

telov, I.P. Pronin, A.L. Kholkin. Integr. Ferroelectrics 69, Иная ситуация может иметь место на МРВ при (2005).

[21] И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, Т.А. Шаплыиспользовании ситалловой подложки, у которой велигина, В.П. Афанасьев. ФТТ 44, 4, 739 (2002).

чина температурного коэффициента линейного расши[22] А.А. Богомолов, О.Н. Сергеева, Д.А. Киселева, Е.Ю. Капрения больше, чем у кремния (Si = 2.8 · 10-6 cm-1, телов, И.П. Пронин. Письма в ЖТФ 31, 11, 42 (2005).




© 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.