КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 1, с. 142-144
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 537.226.33
К 80-летию Л.А. Шувалова
ОСОБЕННОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ЦТС
© 2004 г. А. И. Бурханов, А. С. Кудашев, А. В. Шильников, И. Н. Захарченко*, С. Г. Гах*, В. А. Алешин*
Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия E-mail: postmaster@vgasa.ru *Научно-исследовательский институт физики при Ростовском государственном университете,
Ростов-на-Дону Поступила в редакцию 05.06.2003 г.
Представлены результаты исследований реверсивных зависимостей диэлектрической проницаемости e'(E=) сегнетоэлектрических пленок Pb(Ti0.45Zr0.53W0.01CdQ.01)O3, полученных методом высокочастотного катодного распыления, на подложке из нержавеющей стали. Сопоставляется поведение e'(E=) и петель поляризации. Обсуждаются механизмы, обусловливающие особенности диэлектрического отклика в пленках.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании сегнетоэлектрических (СЭ) пленок одним из актуальных является вопрос о природе внутреннего поля. В некоторых работах [1] его рассматривают как результат применения различных электродов (контрэлектрод и электрод подложки из различных материалов). В то же время существуют экспериментальные результаты [2], свидетельствующие о том, что даже при одинаковых электродах наблюдается смещение петель переполяризации (ПП), свидетельствующее о наличии внутреннего поля в образце. Кроме того, при изготовлении пленок для уменьшения влияния приэлектродных явлений используют электроды из благородных металлов (например, платина). Это делает актуальной проблему внедрения для этих целей более дешевых материалов.
Известно [3], что при изучении процессов переключения сегнетоэлектриков используют метод исследования реверсивных зависимостей е*(Е=), когда отклик материала измеряют в слабом переменном поле при вариации приложенного к образцу постоянного смещающего поля. С помощью данного метода был обнаружен известный эффект зажатия антипараллельных доменов (эффект Драугарда-Янга) [4]. При изучении ре-лаксорной керамики ЦТСЛ в [5] этим же методом был установлен эффект диэлектрической полевой памяти.
Применение данного метода к СЭ-пленкам имеет свои особенности. Это, во-первых, обусловлено тем, что слабые измерительные поля,
которые используются при изучении е'(Е) в объемных сегнетоэлектриках, здесь являются достаточно сильными. Во-вторых, относительно длительное воздействие постоянного смещающего поля на пленку может приводить к ее пробою. Поэтому при изучении реверсивных зависимостей е*(Е=) в пленках применяют не постоянные поля, а непрерывно изменяющиеся с частотой, значительно меньшей, чем частота измерительного поля, как, например, это сделано в [6].
Целью настоящей работы являлось изучение диэлектрического отклика СЭ-пленки реверсированием постоянного смещающего (Е=) и приложением слабого измерительного полей (Е0) частоты 1 кГц, а также получением ПП на инфраниз-ких частотах с помощью модифицированной установки Сойера-Тауера. Полученные таким способом результаты позволяют сопоставлять характер диэлектрического отклика в пленках и объемных образцах при анализе таких процессов, как влияние доменной структуры на характер поляризации материалов или приэлектродных явлений.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАЗЦЫ
При измерении диэлектрической проницаемости е' в слабом (V ~ 0.02 В) измерительном напряжении и при наличии на образце смещающего поля Е= в широком температурном интервале применялся мостовой метод измерения. Для наблюдения ПП при различных амплитудах прикладываемого напряжения (от 10 до 60 В) и частотах 1, 10, 100 и 1000 Гц в работе была использо-
ОСОБЕННОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА
143
115
-300
-150
150 300
Е=, кВ/см
Е, кВ/см 200 г
150 -
100-
50
-150
-50
50
150
250
т, °с
Рис. 1. Реверсивные зависимости £'(Е=) пленки ЦТС при температурах -100 (а) 30 (б) 100°С (в).
вана модифицированная установка Сойера-Тауе-ра. Измерения е'(Е=), а также ПП проводились в квазистатическом режиме нагрева при фиксации температуры с погрешностью ±0.1 К.
Сегнетоэлектические пленки изготовлены в НИИ физики Ростовского университета методом высокочастотного катодного распыления мишеней стехиометрического состава цирконата-тита-ната свинца в атмосфере кислорода с осаждением на подложке из нержавеющей стали. Толщина пленок составляла 2 мкм, площадь верхнего алюминиевого электрода 1.76 мм2.
Рис. 2. Температурные зависимости коэрцитивного поля ЕС(Т), полученного из ПП на частоте 1 Гц (1), коэрцитивных полей ЕС_(Т), ЕС+(Т), полученных из максимумов реверсивной зависимости £'(Е=) при отрицательных Е= (2) и положительных значениях поля Е= (3) и внутреннего поля Е^Т) (4).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены реверсивные зависимости е'(Е=) сегнетоэлектрической пленки ЦТС для температур - 100, 30 и 100°С при частоте измерительного сигнала 1000 Гц и измерительном напряжении 0.02 В. Видно, что максимумы е'(Е=) размыты в области полей обоих направлений. При этом сами максимальные значения е'(Е=) практически равны. В то же время для температур 30 и 100°С наблюдается смещение точки пересечения зависимости е'(Е=), полученных при прямом и обратном ходе, относительно Е= = 0 (рис. 16, 1в), что может свидетельствовать о наличии внутреннего смещающего поля Е в образце.
Таким образом, из вида е'(Е=) для данного образца следует, что, во-первых, имеет место широкое распределение доменов по коэрцитивным полям. Во-вторых, униполярность, обычно проявляющаяся на пленках [1, 2, 7], здесь практически отсутствует. В-третьих, наблюдается зависимость величины внутреннего поля от температуры (рис. 2). На рис. 2 представлено поведение температурных зависимостей внутреннего поля Е1(Т), коэрцитивных полей ЕС+(Т) и ЕС_(Т), полученных из положений максимумов реверсивной зависимости е'(Е=) , а также коэрцитивного поля ЕС(Т), полученного и ПП на частоте 1 Гц.
Относительно хода Е (Т) (рис. 2) заметим, что подобное поведение отмечалось в [8], где Е(Т) измерялось по методу смещения ПП, наблюдаемых на керамике ЦТС с примесью N1. На основе модели [9] формирования Е (Т) в объемной перовски-топодобной керамике авторы [8] его появление связывали с медленной ориентацией дипольных дефектов, существующих в керамике. Максимум
0
4
4
4
0
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ том 49 < 1 2004
144
БУРХАНОВ и др.
Е(Т), согласно [8], проявлялся вследствие двух процессов, зависящих от температуры: зацепления стенок доменов и диффузии дефектов. Возможно, и в нашем случае возникновение внутреннего поля обусловлено теми же процессами, т.е. взаимодействием дефектной структуры, характерной для керамик ЦТС (вакансии 02 или РЬ, или дефекты типа вакансия-примесь) с доменами в пленке.
О наличии развитой дефектной структуры исследуемой пленки свидетельствуют данные структурного анализа [10]. При этом обнаруженный в настоящей работе локальный минимум е'(Е=) при Е= > Ес (рис. 16) может свидетельствовать о переключении 180°-ных доменов. Минимум зависимости е'(Е=) при температуре 30°С (рис. 16) вероятнее всего обусловлен известным эффектом "зажатия антипараллельных доменов", описанным Драугардом и Янгом [4] для объемных образцов керамики. Заметим, что в [7] также был обнаружен локальный минимум зависимости е'(Е=) в пленках ЦТС, полученных золь-гель-методом [11].
Из кривых Ес+(Т) и Ес-(Т) (рис. 2, кривые 2 и 3) видно, что в отличие от зависимостей Ес(Т) для объемных образцов керамик ЦТС, где, как правило, наблюдается уменьшение значения коэрцитивного поля с ростом температуры, в исследуемой пленке при превышении температуры г ~ 50°С происходит увеличение Ес+ и Ес-, что, по-видимому, связано с особенностями механизмов переключения поляризации именно в пленках. В данном случае будут существенно различаться (например, по коэрцитивным полям) приэлект-родные кристаллиты (домены) и центральная область пленки, что отмечено в [2]. Вероятно, при превышении некоторой температуры, становится возможным переключение и приэлектродных "жестких" доменов, коэрцитивное поле для которых значительно больше, чем для доменов, находящихся в центральной области пленки.
В отличие от объемных СЭ-материалов в пленках количество приэлектродных кристаллитов сравнимо с их количеством для центральных областей. Поэтому при анализе максимумов реверсивной кривой е'(Е=), по которым фиксируется усредненное значение коэрцитивного поля (Ес+ и Ес_), будет происходить его "увеличение". Вероятно, при более высоких температурах, чем в эксперименте, когда в процессе переполяризации будет участвовать весь образец, отмеченное выше увеличение Ес+(Т) и Ес-(Т) должно смениться
уменьшением. Однако при высоких температурах существенно возрастает сквозная проводимость пленки, что может приводить к пробою. Поэтому в наших исследованиях мы не смогли зафиксировать такой спад Ес+(Т) и Ес_(Т). В зависимости Ес(Т), полученной из ПП, увеличение данного параметра при г > 50°С не наблюдается (происходит монотонное уменьшение Ес(Т) с ростом температуры). Это может свидетельствовать о том, что в переменных полях используемой амплитуды даже на частоте 1 Гц "приэлектродные" домены не включаются в процесс переполяризации.
Полученные результаты показывают, что, несмотря на дефектность структуры пленки, метод высокочастотного катодного распыления на подложки из нержавеющей стали позволяет получить достаточно качественные пленки. Они близки по характеристикам к объемным материалам, в которых основным механизмом, обусловливающим процессы поляризации и переполяризации, является движение доменных границ.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16232) и Ведущей научной школы (НШ-15.14.2003.2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ярмаркин В.К., Зайцева Н.В, Штельмах С В., Моторный A.B. // ФТТ. 1995. Т. 37. № 2. С. 324.
2. Дудкевич В.П., Фесенко Е.Г. Физика сегнетоэлектрических пленок. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского гос. ун-та, 1979. 190 с.
3. Смоленский Г.А., Боков B.A., Исупов B.A. и др. Физика сегнетоэлектрических явлений. Л.: Наука, 1985. 396 с.
4. Drougard ME, Yong DR. // Phy
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.