WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 9 Влияние отжига на самополяризованное состояние в тонких сегнетоэлектрических пленках © И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, В.П. Афанасьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197376 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 13 ноября 2001 г.) Показано, что в результате высокотемпературной обработки самополяризованных пленок цирконататитаната свинца, содержащих избыток оксида свинца, и продолжительной последующей выдержки при комнатной температуре происходит перераспределение зарядов в приэлектродных областях сегнетоэлектрической пленки. Такая термообработка, как правило, приводит к исчезновению самополяризованного состояния и устранению диэлектрической неоднородности. Предложена модель тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора, позволяющая описать изменение формы петель гистерезиса (P-V ), вольтемкостных характеристик (C-V ), а также частотно-зависимого пироотклика (LIMM). В рамках модели обсуждается влияние интерфейса и межкристаллитных границ на появление самополяризованного состояния, его изменение и исчезновение.

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 01-02-17-799) и грантом Министерства образования РФ (EOO-3.4-350).

Одним из наиболее интересных свойств тонких сегне- (в частности, соотношения толщины поликристалличетоэлектрических пленок является возникновение в неко- ских пленок и размера зерна) на свойства пленок;

торых из них самополяризованного состояния. Полярное 4) причины разрушения самополяризации при отжиге состояние устанавливается в пленках без приложения пленок [1,10,11] и т. д.

внешнего электрического поля после их кристаллизации В настоящей работе проведен анализ появления самои перехода в сегнетоэлектрическую фазу. Самополяризополяризованного состояния, его изменения и исчезновеванное состояние может наблюдаться в сегнетоэлектриния в пленках ЦТС, подвергавшихся термообработке.

ческих пленках вне зависимости от их состава, кристаллической структуры и способа приготовления [1–9]. Как отмечается в [1,2], самополяризация представляет собой 1. Технология получения, состав интерфейсный эффект. В частности, она может индуции методы исследования пленок роваться полем электронов, локализованных на поверхностных состояниях границы раздела сегнетоэлектрик– Пленки, осажденные методом ВЧ магнетронного нижний электрод [3,4]. Другая распространенная точраспыления керамической мишени состава ка зрения на природу самополяризованного состояния PbZr0.54Ti0.46O3+10 mol% PbO, содержали избыточное связана с механическими напряжениями в сегнетоэлекколичество оксида свинца PbO, что, как известтрических пленках [7]. Внутреннее электрическое поле, но [3,11–14], стимулирует появление самополяризокоторое проявляется в смещении петель гистерезиса ванного состояния в этих пленках. Пленки толщиной и C-V -характеристик, справедливо рассматривается как d = 0.7-1.0 µm осаждались на „холодную“ подложку атрибут самополяризации [2] и является отражением (130C), а затем подвергались термообработке при миграционной поляризации, экранирующей самополяри550C. По нашим представлениям [3], роль избытка зацию [3].

оксида свинца в пленках ЦТС сводилась, в частности, Тем не менее природа самополяризации еще далек вытягиванию определенного количества подвижных ка от понимания и требует проведения дополнительв перовскитовой структуре атомов кислорода из перовных исследований. К вопросам, требующим выяснения скитовой решетки, в результате чего сегнетоэлектричеи уточнения, можно отнести: 1) роль барьеров Шоттки ский слой оказывался „легированным“ кислородными на интерфейсах тонкопленочного сегнетоэлектрического вакансиями и обладал n-типом проводимости. В качестве конденсатора [1]; 2) влияние кристаллической струкверхнего и нижнего электродов использовались туры пленок, например предпочтительное проявление пленки платины. Площадь конденсаторных структур самополяризации в тонких пленках твердых раствоопределялась размером верхнего электрода, диаметр ров цирконата-титаната свинца PbZr1-x TixO3 (ЦТС) которого составлял 130 µm.

с тетрагональной фазой (x 0.47) по сравнению с составами, относящимися к ромбоэдрической фазе Петли диэлектрического гистерезиса тонкопленочных (x 0.47) [1–2,10]; 3) влияние размерных эффектов сегнетоэлектрических конденсаторов изучались с по1660 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, В.П. Афанасьев мощью модифицированной схемы Сойера–Тауэра на частоте 50 Hz, их вольт-емкостные зависимости регистрировались с использованием цифрового моста E7-на частоте 1 MHz, а частотно-зависимый пироотклик (LIMM) измерялся и обрабатывался по методике, подробно описанной в [15,16].

2. Экспериментальные результаты Ранее мы показали, что самополяризованное состояние в пленках ЦТС неравномерно распределено по толщине и в большей степени локализовано в области пленки, прилегающей к нижнему электроду (кривая на рис. 1) [3]. Слабо поляризованная область с противоположным направлением поляризации располагалась вблизи верхнего электрода. Такому распределению самополяризации соответствовали асимметричные петли гистерезиса (рис. 2, a) и вольт-емкостные характеристики Рис. 2. Петли гистерезиса самополяризованной пленки тол(рис. 3, a).

щиной 1 µm, осажденной при температуре 130C. a, d, e —до Сравнение кривых распределения поляризации, полу- отжига, петли наблюдаются на матрице кондесаторов с вероятностью 80, 15 и 5% соответственно; b — сразу после ченных в результате приложения к пленке внешнего отжига пленки при 300C; c — после выдержки пленки постоянного напряжения +20 или -20 V (кривые 2 и в течение 14 месяцев при комнатной температуре. f — петля на рис. 1), с кривой самополяризации (кривая1 на рис. 1) гистерезиса для самополяризованной пленки ЦТС толщиной показало, что самополяризованный объем не превышал 0.7 µm, осажденной при температуре 200C.

10–15% объема пленки. Несмотря на то что к пленке прикладывалось достаточно сильное поляризующее поле (200 kV/cm), видно, что максимум распределения поляризации остался смещенным в сторону нижнего электрода. Более сильно это смещение проявляется после воздействия положительного напряжения (кривая 2 на рис. 1).

Рис. 3. C-V -кривые самополяризованной пленки ЦТС.

a — сразу после формирования, b — после отжига при 300C, c, d — после выдержки отожженной пленки в течение месяца на первом и втором циклах изменения смещающего напряжения соответственно.

Результаты LIMM-измерений пленок, которые подвергались поляризации напряжением +20 и -20 V при температуре 280C и в процессе последующего охлаждения, а затем выдерживались в течение 24 h при комнтаной температуре, представлены кривыми 4 и 5 на рис. 1.

Рис. 1. Распределение поляризации в пленке ЦТС по толщине Видно, что степень поляризованности таких образцов (d = 1 µm): самополяризованное состояние (1); после прилосущественно возрастала по сравнению с полученной жения напряжения +20 (2) и -20 V (3) в течение 30 min при при поляризации в нормальных условиях. Вблизи верхкомнатной температуре; после приложения к пленке напряженего электрода пленки ЦТС амплитуды пироотклика ния +20 V (4) (или -20 V (5)) при 280C и охлаждении в поле до комнатной температуры. были практически одинаковыми при поляризации разФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. Влияние отжига на самополяризованное состояние в тонких сегнетоэлектрических пленках Эксперименты показали, что для матрицы конденсаторных структур на основе самополяризованной пленки ЦТС характерен существенный разброс диэлектрических характеристик по площади пленки (рис. 2, a,d,e).

Так, на идентичных конденсаторных структурах наблюдалось три типа петель гистерезиса с различной степенью асимметрии: от петель с большим внутренним полем Eint = 25 kV/cm (рис. 2, a) до практически симметричных петель с „перетяжками“ (рис. 2, e). Увеличение температуры подложки с 130 до 200C при осаждении сегнетоэлектрического слоя приводило к большей однородности диэлектрических характеристик по площади пленки, а также к росту диэлектрической проницаемости (с 450 до 750). Характерный вид петли гистерезиса для такой пленки представлен на рис. 2, (f).

3. Обсуждение результатов Для объяснения приведенных выше экспериментальРис. 4. Петли гистерезиса самополяризованной пленки ЦТС ных результатов нами предлагается модель, существо в сильном электрическом поле (20 V). a — после формирокоторой иллюстрируется рис. 5 и 6. В модели пования пленки; b — после отжига при 300C и длительного стулируются предположения, сделанные на основании хранения.

результатов предыдущих исследований.

1) пленки ЦТС имеют преимущественно столбчатую структуру, характеризующуюся текстурой с определеннополярными импульсами. В то же время, у нижнего ной ориентацией, например с ориентациэлектрода амплитуда положительного сигнала заметно ей 111 [12,18,19]; 2) пленки обладают n-тибольше, чем амплитуда отрицательного сигнала, что может быть связано с наличием остаточного объемного заряда вблизи нижнего электрода.

Термообработка самополяризованных пленок ЦТС при температурах 100 и 200C не изменяла формы P-V - и C-V -характеристик. Отжиг пленок при более высокой температуре (300C), близкой к температуре Кюри, приводил к их деполяризации, существенному изменению формы петель гистерезиса (рис. 2, b) и C-V характеристик (рис. 3, b). Петли гистерезиса и вольтемкостные характеристики принимали „нормальный“, т. е. симметричный вид. В результате долговременной выдержки таких пленок ЦТС при комнатной температуре на петлях гистерезиса наблюдались „перетяжки“ (рис. 2, c, выдержка 4 · 107 s), которые часто встречаются у поликристаллических керамических сегнетоэлектриков [17], а на C-V -характеристиках появлялись дополнительные экстремумы (рис. 3, c).

Форма петель гистерезиса самополяризованных пленок зависела от амплитуды использованного переменного напряжения. Так, приложение переменного напряжения с амплитудой 20 V уменьшало асимметрию петель гистерезиса (рис. 4, a) по сравнению с формой петли Рис. 5. Схематическое распределение поляризованного сопри 10 V (рис. 2, a), однако не приводило к полному стояния (Pr — остаточная поляризация) и объемного заряисчезновениию смещающего внутреннего поля. При пода (Emigr — поле миграционной поляризации) на интерфейследовательном снятии C-V -кривых для одного образца сах тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора на видно, что по мере увеличения числа циклов перепооснове самополяризованной пленки ЦТС. a — после формиляризации изменяется форма C-V -кривых (рис. 3, c), рования пленки, b — после отжига и длительной выдержки которые становятся более гладкими (рис. 3, d). при комнатной температуре.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1662 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, В.П. Афанасьев по толщине пленки. При последующем охлаждении ниже температуры Кюри электроны, локализованные на приповерхностных состояниях нижнего и верхнего интерфейсов, поляризуют приэлектродные области сегнетоэлектрической пленки. Образовавшиеся полярные состояния вблизи интерфейса инициируют миграционную поляризацию, что с течением времени приводит к образованию объемных зарядов в приэлектродных областях, экранирующих спонтанную поляризацию (рис. 5, b). Поэтому петли гистерезиса и C-V -характеристики, имеющие сразу после отжига обычный, симметричный вид (рис. 2, b и 3, b), с течением времени трансформируются и приобретают вид, приведенный на рис. 2, c и 3, c. На P-V -зависимостях появляются „перетяжки“, а на C-V характеристиках — дополнительные экстремумы, котоРис. 6. Схематическое изображение пленки ЦТС с различным расположением поперечных межзеренных границ по толщине рые являются отражением миграционной поляризации, пленки.

экранирующей встречно поляризованные области в сегнетоэлектрической пленке вблизи электродов. Таким образом, в результате отжига и последующей выдержки пленки в нормальных условиях происходит процесс пом электропроводности вследствие дефицита по перераспределения зарядов между верхним и нижним кислороду [3,20,21]; 3) локализованные состояния интерфейсами и в объеме структуры. Длительность прораспределены неравномерно по толщине пленки цесса накопления объемного заряда, по всей видимости, и имеют повышенную концентрацию на интерфейсах определяется низкой скоростью миграции заряженных тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора, кислородных вакансий при комнатной температуре.

где накапливаются заряды [22]; 4) самополяризация Однако в рамках такого представления не удается экранируется миграционной поляризацией [17].

описать причины наблюдаемой неоднородности диэлекНа рис. 5 схематически показано распределение самотрических параметров по площади пленки и наличие поляризованного состояния и экранирующего объемного поляризованного объема на верхнем интерфейсе самозаряда по толщине пленки ЦТС до отжига (a), а также поляризованной пленки. Объяснить совокупность экспераспределение после отжига и длительной выдержки риментальных результатов можно, если предположить, при комнатной температуре (b).

что в пленке присутствуют структурные нарушения, До отжига поляризованная область в пленке сосредопрепятствующие миграции заряженных частиц между точена в основном вблизи нижнего интерфейса струкэлектродами тонкопленочного конденсатора.

туры (рис. 5, a). Это связано с тем, что кристаллизация Мы полагаем, что такими структурными нарушениями фазы перовскита в пленке ЦТС проводилась при отсутв простейшем случае могут быть поперечные межзеренствии верхнего электрода, а последний наносился на уже ные границы, параллельные плоскости конденсаторной сформированную пленку при температурах подложки структуры (рис. 6). Причиной образования межзеренных 100–120 [3]. Миграционная поляризация, экранируюграниц могут служить кристаллические несовершенства щая спонтанную поляризацию, является причиной сдвипленки, такие как включения инородной фазы, несоотга P-V - и C-V -характеристик в сторону отрицательных ветствие параметров кристаллических решеток нижнего напряжений (рис. 2, a, f и 3, a).

электрода и перовскитовой пленки, механические напряДля конденсаторных структур, характеризующихся жения и т. д. В нашем случае появление поперечных асимметричной петлей гистерезиса (рис. 2, a), величина границ в пленке ЦТС можно связать с наличием знавнутреннего поля достигает 25 kV/cm. Такое поле может чительного избытка оксида свинца, который в процесбыть создано зарядом электронов, локализованных на се формирования перовскитовой фазы локализуется на поверхностных состояниях. Плотность этого заряда по границах кристаллитов в объеме пленки и препятствует нашим оценкам составляет около 5 µC/cm2. Плотность росту перовскитовых зародышей сквозь всю ее толщину.

Pages:     || 2 |



© 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.