Введение к работе
з
Актуальность темы. Появление технологий получения тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов высокого качества с воспроизводимыми свойствами обусловило активное развитие нового поколения устройств микро- и наноэлектроники на базе сегнетоэлектрических пленок. Особое внимание в данной области уделяется разработкам в сфере создания энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти FeRAM, где единицами бинарных данных служат домены с антипараллельной поляризацией, а малые толщины пленок позволяют управлять поляризацией малыми напряжениями.
Одними из наиболее перспективных материалов для создания устройств энергонезависимой памяти на данный момент являются сегнетоэлектрики цирконат - титанат свинца PbZrxTii_x03 и титанат свинца РЬТіОз, характеризуемые высокими значениями остаточной поляризации при малых значениях переключающих полей, что обеспечивает простоту операции чтения и записи информации при минимальном энергопотреблении.
Для успешной реализации и использования сегнетоэлектрических ячеек памяти необходимо детальное изучение особенностей формирования и процессов переключения поляризации тонких сегнетоэлектрических пленок, лежащих в основе работы данных устройств. Другой до конца нерешенной проблемой являются процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок, ограничивающих количество циклов перезаписи информации. Несмотря на значительное количество моделей, описывающих различные особенности данного явления, до сих пор не существует устоявшихся представлений о природе указанных процессов, что делает задачи управляемого контроля динамикой доменной структуры и процессов усталости сегнетоэлектриков чрезвычайно актуальными.
Диссертационная работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и программы европейской мобильности «FP7-IRSES-SIMTECH».
Целью настоящей работы является исследование особенностей динамики доменной структуры под действием биполярных периодических внешних полей и определение механизма усталости тонких сегнетоэлектрических пленок. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
расчет динамического отклика 180-градусной периодической доменной структуры тонкой сегнетоэлектрической пленки в широком диапазоне частот;
изучение особенностей кинетики переключения и процессов усталости тонких сегнетоэлектрических пленок РЬТіОз и Pb(Zro;5Tio,5)03;
построение модели усталости тонких сегнетоэлектрических пленок с внутренним полем на основе полученных экспериментальных данных.
Объект и методики исследования
Объектом исследования являлись тонкие пленки РЬТіОз и Pb(Zr0,5Tio,5)03 толщиной 0,1-1 мкм с верхними золотыми и нижними платиновыми электродами на подложках из монокристаллического кремния, полученные при помощи золь-гель технологии.
Фазовый состав полученных пленок изучался с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН (СиКа- излучение). Структурные параметры пленок определялись сканированием поверхности пленок методами атомно - силовой и электронной микроскопии на приборах "Femtoscan_001_Online" и "Scanning Electron Microscope JEOL JSM-6380LV" соответственно.
Исследование процессов усталости в полученных пленках проводилось путем анализа эволюции петель диэлектрического гистерезиса в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле синусоидальной формы с использованием модифицированной схемы Сойера-Тауэра, а также путем исследования изменений токов переключения под воздействием биполярных прямоугольных импульсов поля по методике Мерца.
Научная новизна работы. Все основные результаты данной работы являются новыми. В настоящей работе рассчитан динамический отклик периодической доменной структуры наноразмерной сегнетоэлектрической пленки в широком диапазоне частот; исследовано совокупное влияние различных факторов на процессы усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках; развита дислокационная модель усталости, в рамках которой объясняются экспериментальные закономерности усталости при многократном переключении тонких сегнетоэлектрических пленок.
Практическая иенность работы.
Наличие терагерцевой моды в спектре динамического отклика диэлектрической проницаемости наноразмерных сегнетоэлектрических структур может быть использовано для создания терагерцевых фильтров и прочих устройств микро- и наноэлектроники, работающих в терагерцевом диапазоне.
Полученные при исследовании процессов усталости в тонкопленочных сегнетоэлектриках результаты могут быть использованы для оптимизации рабочих характеристик устройств памяти на базе сегнетоэлектрических пленок.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Определена возможность наблюдения субтерагерцевой моды с резонансной частотой -5-Ю11 Гц в спектре динамического отклика сегнетоэлектрической пленки толщиной ~10нм.
-
Процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок не связаны с
кинетикой доменных границ и объясняются закреплением приповерхностных зародышей обратных доменов заряженными дислокациями.
-
Наличие внутреннего поля смещения обусловлено градиентом деформации, создаваемым дислокациями несоответствия в области контакта сегнетоэлектрической пленки с подложкой.
-
Определена возможность управления процессами усталости сегнетоэлектриче-ских пленок посредством изменения времени, проводимого образцом в области «усов» петли диэлектрического гистерезиса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ХХП-ой Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах», Воронеж, 2010; 4-ой Международной конференции по интеллектуальным материалам и конструкциям и международном семинаре по материалам, применяемым в электронике, Агадир, Марокко, 2011; 19-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков; Школе - семинаре молодых ученых "Ферроидные материалы для наноиндустрии" (ВКС - XIX), Москва, 2011; 12-ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (EMF 2011), Бордо, Франция 2011; Международной конференции перспективных исследований мультиферрои-ков и многофункциональных материалов (Натал, Бразилия, 2012); 11-ом международном симпозиуме по сегнетоэлектричеству (RCBJSF) Екатеринбург, 2012; 7-ом Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков, Воронеж, 2012.
Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского государственного университета 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 основные расчеты, анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Сидоркиным А.С. и д.ф.-м.н., проф. Лукьянчуком И.А.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях ВАК и 5 работ в сборниках трудов и тезисов докладов всероссийских и международных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, содержит 2 таблицы и 45 рисунков. Библиографический раздел включает 103 наименования.
