Введение к работе
Актуальность темы. Несколько десятилетий продолжается интенсивное изучение тонких сегнетоэлектрических пленок. Это объясняется как многочисленными установленными, так и потенциальными преимуществами пленок по сравнению с объемными материалами - прежде всего миниатюризацией устройств, уменьшением управляющих полей, хорошей совместимостью с полупроводниковыми материалами, традиционно используемыми в электронике, и т.п. В связи с этим актуальным остается вопрос, связанный с оптимизацией технологии получения тонких пленок с высокими сегнетоэлектрическими свойствами.
Многочисленные преимущества пленок титаната свинца и цирконата-тита-ната свинца, включая большое значение переключаемой поляризации, позволяют отнести их к наиболее перспективным материалам в частности для создания устройств энергонезависимой памяти с большой емкостью. При этом существует ещё множество проблем, сдерживающее широкое коммерческое внедрение подобных устройств. Таковыми являются, например, процессы старения и усталости (ухудшение свойств со временем и уменьшение переключаемого заряда при многократно повторяющемся переключении). К настоящему времени предложен целый ряд возможных механизмов усталости в тонких пленках. В то же время ясное понимание причин, обуславливающих старение и усталость тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов, в частности, кислородосодержащих пленок со структурой перовскита, таких как титанат свинца и цирконат-титанат свинца, отсутствует, что также делает актуальным изучение процессов переключения и диэлектрических характеристик данных материалов.
Тема диссертационной работы поддержана грантом RUXO-010-VZ-06 «Нелинейные явления в наноразмерных твердотельных структурах при воздействии внешних полей» по совместной программе CRDF и Минобрнауки «Фундаментальные исследования и высшее образование» (2006-2007), грантом 2007-3-1.3-07-01 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме: «Твердотельные наноструктуры для электронной и оптической техники нового поколения», грантом Российского фонда фундаментальных исследований N 04-02-16433-а, (2004-2006 гг.).
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование частотных и температурных зависимостей диэлектрических и переполяризационных свойств тонких пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца и их стабильности под действием внешнего переменного электрического ПОЛЯ.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
получение пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца методом магнетронного напыления и с помощью золь-гель технологии;
анализ фазового состава и микроструктуры поверхности образцов полученных пленок для оптимизации технологии их получения;
исследование комплексной диэлектрической проницаемости в широком частотном и температурном диапазонах;
определение закономерностей переключения поляризации в тонких пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца;
изучение процессов старения и усталости в тонких пленках титаната и цирконата-титаната свинца под действием внешнего переключающего электрического поля.
Объект и методики исследования.
Объектом исследования являлись тонкие пленки титаната свинца и цирконата-титаната свинца толщиной от 0,2 до 1 мкм на различных подложках. Фазовый состав ипреимущественная ориентация кристаллитов впленках контролировались методом рентгенофазового анализа с применением дифрактометра ДРОН-ЗМ. Расшифровка полученных дифрактограмм выполнена с использованием базы данных Powder Diffraction File (PDF-2). Структурные параметры пленок титаната свинца выявлялись с помощью атомно-силовой и электронной микроскопии на приборах Femtoscan-001 -Online и Scanning Electron Microscope JEOL JSM-6380LV, соответственно. Диэлектрические измерения проводились при помощи импедансметра Solartron Analitical 1260 с диэлектрическим интерфейсом 1296. Исследования зависимостей переполяризационных свойств в сильных полях проводились с помощью специально сконструированной установки.
Научная новизна. Все основные результаты данной работы являются новыми. В рамках данного исследования:
проведено всестороннее исследование свойств пленок титаната свинца и
цирконата-титаната свинца, включающее фазовый анализ, диэлектрические
спектры, переключение поляризации во внешнем поле, явление усталости;
определен характер диэлектрической дисперсии для пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца, полученных различными методами;
обнаружена аномалия в частотной зависимости диэлектрической проницаемости, природа которой связывается с колебаниями доменных границ в тонких пленках;
проведено сравнение явления усталости для пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца, исследовано влияние на процессы усталости для указанных пленок температуры и амплитуды внешнего поля;
исследованы частотные зависимости коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения тонких пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца.
Практическая ценностьработы определяется возможностью использования полученных результатов для оптимизации технологии изготовления и улучшения основных рабочих характеристик устройств памяти на тонких сегнетоэлектрических пленках.
Основные положения, выносимые на зашиту:
Доменная природа аномалии диэлектрической проницаемости в пленках титаната свинца в районе 14 МГц.
Доменная природа явления усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца. Влияние внутреннего поля смещения в пленках на явление усталости.
Слабое влияние температуры и существенное влияние амплитуды переключающего поля на процессы усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках.
Определяющая роль подложки в формировании внутреннего поля смещения в тонких сегнетоэлектрических пленках.
Линейный характер частотных зависимостей коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения.
Апробаиия работы.
Основные результаты работы представлены на 11-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Бразилия /Аргентина, 2005); XVII-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Пенза, 2005); 8-ой Европейской конференции по применению полярных диэлектриков (Мец, Франция,
2006); 9-ом Международном Симпозиуме по доменам в ферроиках, микро- и на-носкопическим структурам (Дрезден, Германия, 2006); 10-ой Еврофизической конференции по дефектам в диэлектриках (Милан, Италия, 2006), Международной научно-технической школе-конференции «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2006» (МОСКВА, 2006); 19-ом Международном Симпозиуме по интегрированным сегнетоэлектрикам (Бордо, Франция, 2007); 11-ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству, (Блед, Словения, 2007).
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор метода 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 22 работы, в том числе 8 статей в реферируемых изданиях и тезисы 14 докладов на международных и российских научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования. Работа содержит 132 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 2 таблицы.
