КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 1, с. 145-150
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 548.0:537.226.33
К 80-летию Л.А. Шувалова
О ДОМЕННОМ ВКЛАДЕ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОТКЛИК ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ-ПЛЕНОК ЦТС НА НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТАХ
© 2004 г. А. В. Шильников, Р. А. Лалетин, А. И. Бурханов, А. С. Сигов*, К. А. Воротилов*
Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия E-mail: postmaster@vgasa.ru *Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический
университет) Поступила в редакцию 5.06.2003 г.
На основе исследований низко- и инфранизкочастотных диэлектрических свойств тонких золь-гель-пленок цирконата-титаната свинца, проведенных в широких интервалах температур и амплитуд измерительного поля, сделан вывод о существенном вкладе доменных границ в диэлектрический отклик данных объектов. Приводится уточненная классификация точечных дефектов, взаимодействующих с доменными границами.
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия чрезвычайно возрос интерес к исследованию сегнетоэлектрических тонких пленок. Связано это прежде всего с оптимистическими перспективами широкого практического использования данных объектов, обеспечивающих микроминиатюризацию, малую энергоемкость, высокую чувствительность и возможное быстродействие. Одним из активно развивающихся направлений использования таких пленок является создание энергонезависимых ячеек памяти [1-9], связанных с переключением спонтанной поляризации. При этом вопрос о характере (и даже возможности) переключения тонких сегнетоэлектрических пленок и физической природе их диэлектрического отклика вызывает оживленную полемику, касающуюся в первую очередь роли в этих процессах доменных границ (ДГ) [1012]. Иногда об этой роли особенно в случае если речь идет о диэлектрической релаксации, не говорится вообще (подобный механизм не рассматривается), так как точка зрения авторов априори иная [2, 13, 14]. В то же время последние результаты исследования даже сверхтонких пленок Ленгмюра-Блоджетт [15] говорят о возможном сосуществовании "собственного" и "несобственного" (связанного с движением ДГ) механизмов переключения. Поэтому, казалось бы, вопрос о роли ДГ в переключении тонких пленок должен быть исчерпан. Однако существование вклада ДГ в процессы поляризации и переполяризации тон-
ких сегнетоэлектрических пленок все еще вызывает сомнение у отдельной части исследователей.
Мы хотим показать наличие существенного вклада ДГ в диэлектрическом отклике тонких золь-гель-пленок на низких (НЧ) и инфранизких (ИНЧ) частотах синусоидальных электрических полей различных амплитуд, сравнивая соответствующие характеристики таких пленок и сегнетоэлектрических образцов макроскопических размеров. В качестве основного сравнительного критерия будем использовать простейшие классификации механизмов движения ДГ [16-18] и точечных дефектов, взаимодействующих с ДГ [19], а также компьютерные модели петель поляризации (ПП), полученные на данной основе [18, 20].
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Образцы в виде тонкопленочных "чипов" рь(7г053т1047)о3 с общей подложкой Рч/Т^ю^! и верхними электродами из никеля (N1) с площадью 5 = 0.03 мм2 получены золь-гель-методом [21-23]. Фрагмент пленки на подложке помещался в корпус интегральной схемы (ИС), после чего методом термокомпрессии контактные площадки соединялись с выводами ИС. Применение термокомпрессии непосредственно на контактной площадке в какой-то степени изменяло свойства границы раздела ЦТС-№, поэтому петли диэлектрического гистерезиса в данной работе несколько отличаются от полученных в [24]. Толщина пленок была 0.2 мкм. Избыток свинца (х) в исходном пленкообразующем растворе составлял: 0, 5, 10, 30 и
P, усл. ед.
(б)
евскии вид, соответствующим уравнению движения ДГ [20]
200
200 Е, кВ/см
Пx + kx + F • sign (x) = 2Psl
(1)
Рис. 1. Сравнение петель поляризации, полученных для образца с 5%-ным избытком свинца в исходном растворе при равных условиях эксперимента, на начальном этапе измерений (а) и при последующем измерении (б).
50 моль % [21]. В настоящей работе приводятся в основном результаты, полученные на образцах при избытке свинца в пленкообразующем растворе 5 и 10 моль %, т.е. в конечном итоге для составов, близких к стехиометрическим.
Измерение комплексной диэлектрической проницаемости 8* в сравнительно слабых полях (U0 = 0.001 В, E0 = 0.05 кВ/см) проводилось с помощью мостовоИ схемы [25] с раздельным отсчетом по 8' и 8" в диапазоне частот от 10-1 до 104 Гц.
Осциллограммы ПП в том же частотном диапазоне были получены на модифицированной схеме СоИера-Тауэра, в котороИ применен цифровой запоминающий осциллограф C9-8, сопряженный с компьютером типа IBM [26]. Амплитуда синусоидального поля в этом случае задавалась в диапазоне от 1 (0.02 В) до 250 кВ/см (5 В). При этом выполнялся критерии Эванса по импедансу [27] и использовался линеИныИ конденсатор переменной емкости для замещения эффек-тивноИ емкости нелинеИного конденсатора (ячеИ-ки "чипа").
ТемпературныИ интервал составлял от 100°С (373 К) до точки кипения азота. Точность поддержания температуры в заданноИ точке была не хуже 0.05 К при чувствительности ее измерения 0.001 К.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены петли поляризации (ПП), полученные для образца с 5%-ным избытком свинца в исходном растворе, при температуре -180°C в поле с частотоИ 10 кГц и напряжением, достигающим в максимуме U0 = 5 В (E0 ~ 250 кВ/см). При первоначальном измерении амплитудного ряда ПП на "свежеИ" ячеИке при изменении поля от 5 кВ/см с шагом 5 кВ/см наблюдались ПП (рис. 1а), имеющие явно выраженныИ квазирэле-
и учитывающиИ вклад начального значения диэ-лектрическоИ проницаемости 8 *.
При достижении полем максимального значения (E0 ~ 250 кВ/см), которое оказалось "критическим" для части ДГ, взаимодеИствующих с точечными дефектами (некоторая доля сильных дефектов трансформировалось в средние), объем переполяризующеИся части образца (пленки) при данных условиях (T = const, V = const, E0 = const) увеличился. Это привело к трансформации вида ПП, которые из квазирэлеевских превратились в ромбоподобные [17, 20, 28]. Для получения пол-ноИ картины произошедшеИ эволюции ПП было проведено повторное измерение ПП на тоИ же ячеИке при изменении поля от 5 кВ/см, с шагом 5 кВ/см (рис. 16). Как видно из рис. 16, при E0 < 100 кВ/см ПП имели тот же квазирэлеевскиИ вид, однако последующее увеличение амплитуды E0 привело к трансформации ПП. Они приняли ромбоподобную форму, наблюдавшуюся при первоначальных измерениях в полях E0 ~ 250 кВ/см. В этом случае ПП соответствует тому же уравнению (1) движения ДГ [20], но без учета вклада на-
чальноИ 8* , так как вклад ДГ в 8*фф > 8*.
Рисунок 2 подтверждает сказанное выше примером перераспределения процентного вклада гистерезисного (и соответственно релаксационного) механизма движения ДГ в деИствительную
(8 эфф - g) и мнимую (8 э'фф _ g) части комплексноИ эф-фективноИ диэлектрическоИ проницаемости (8 *фф). Заметим при этом, что приведенные экспериментальные результаты вряд ли можно объяснить эффектами схемы измерения или, например, влиянием интерфеИсных полеИ и/или объемных зарядов. Тем более, что подобные явления весьма характерны для сегнетоэлектрических образцов, имеющих макроскопические размеры [28].
На рис. 3 приведены ПП, полученные для образца с 10%-ным избытком свинца в пленкообразующем растворе (в конечном итоге, стехиомет-рическиИ состав), при температуре +25°C в полях с амплитудоИ до E0 ~ 250 кВ/см и частотоИ от 0.1 до 10 кГц. Привлекает внимание вид ПП при частотах 0.1 и 1 Гц. В первом случае (V = 0.1 Гц) - это узкие концентрические эллипсы, характеризующие линеИныИ диэлектрическиИ отклик с малыми потерями, которыИ может быть объяснен обратимым движением ДГ, подчиняющимся уравнению [17, 20]
П x + kx = 2 PsE,
2
8'
эфф-£'
, %
40 30 20 10
8'
эфф-£'
%
80 70 60 50 40 30 20 10
50
100
150
200 250 Е, кВ/см
Рис. 2. Амплитудные зависимости процентных соотношений вкладов гистерезисного (скачкообразного) механизма движения доменных границ в 8эфф и 8эфф
для образца с 5%-ным избытком свинца в исходном растворе при температуре -180°С. Обработка осуществлялась по ПП, полученным на начальном этапе измерений (а) и сразу после начального этапа (б).
при п х < кх (большая часть ДГ движется упруго, без потерь, подчиняясь уравнению [17] кх = 2РЕ (3)). При этом измерительная частота гораздо меньше частоты релаксации поляризации (V < V.). Во втором случае (V = 1 Гц) ПП имеют вид концентрических эллипсов только на начальном этапе поляризации (в сравнительно слабых полях), превращаясь с ростом поля в своеобразные "овалы", характеризующие появление нелиней-
ного диэлектрического отклика (необратимого движения ДГ). Площадь ПП (следовательно, и потери) в этом случае резко возрастает в сравнении с их площадью при V = 0.1 Гц, что свидетельствует о близости измерительной частоте к частоте релаксации поляризации (V ~ V,.). Подчеркнем, что в случае наличия вклада проводимости (объемного заряда) в поляризацию потери всегда пропорциональны обратной измерительной частоте (8 э'фф _ ^ ~ 1/ш, где ш = 2тсу) [29] и подобная эволюция ПП невозможна. Заметим, что неоднородность пленки может приводить к максвелл-вагнеровской релаксации [29], когда наряду с ДГ
вклад в поляризацию (8 *фф) будет давать и миграционный заряд, обусловленный, например, структурой интерфейса. Однако к принципиальным различиям (кроме величины поляризации и/или
8 *фф) наблюдаемой эволюции ПП он не приведет [29].
При V = 10 Гц (рис. 3) ПП приобретают перетяжку, униполярность и небольшое смещение по оси Е. Начиная с V = 100 Гц и выше ПП становятся квазинасыщенными, униполярными и смещенными. Их диэлектрический отклик приобретает существенные нелинейность и последействие (ПП "не вкладываются" одна в другую). Подчеркнем, что такая частотная эволюция формы ПП характерна, например, для образцов кристаллов сегне-товой соли макроскопических размеров [30].
Для ПП, отражающих, по нашему мнению, обратимое и необратимое релаксационное движение ДГ [15, 16], были опре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.