Введение к работе
Актуальность темы.
Существуют новые требования современной техники, которые не могут быть удовлетворены использованием только объемных сегне-тоэлектриков. Таковыми являются: миниатюризация устройств, снижение их энергоемкости, повышение чувствительности и быстродействия элементов при одновременном уменьшении управляющих полей, и ряд других. Интерес к сегнетоэлектрическим пленкам не является только утилитарным. Проблема сегнетоэлектричества в тонком слое - это часть обшей проблемы исследования свойств вещества в квазидвумерном состоянии.
Известны тонкопленочные технологии, некоторые из которых пригодны для синтеза сегнетоэлектрических тонких пленок. В настоящее время наиболее распространенными методами являются маг-нетронное или лазерное распыление с использованием в качестве ми-леней объемных сегнетоэлектриков (керамики) и металлоорганиче-:кий синтез (золь-гель технология) на различные подложки. Это до-зольно дорогостоящие методы, требующие специального сложного эборудования, при этом с не всегда воспроизводимыми результатами.
Сегнетоэлектрические материалы в тонкопленочном состоянии пучены значительно меньше, чем в виде объемных образцов, что свя-іано и с особенностями тонкопленочных технологий, и с особенно-:тями систем с определяющей ролью поверхности, к которым отно-:ятся гетерогенные тонкопленочные структуры (необходимо отметить, гто любое вещество в виде тонкой пленки можно синтезировать и исцеловать только в составе довольно сложной гетеросистемы, вклю-гающей подложку, систему контактов, пассивирующих покрытий и ір.). Поэтому свойства сегнетоэлектриков в тонких системах неразрывно связаны со свойствами других элементов гетероструктуры и ависят от них в существенно большей степени, чем для объемных истем.
Целью работы является получение тонких сегнетоэлектрических ленок титаната свинца и исследование их свойств.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы педующие основные задачи:
исследование процессов формирования оксидных пленок на оверхности кремния и титана;
разработка нового метода синтеза пленок титаната свинца;
исследование состава и структуры полученных пленок;
- экспериментальное изучение диэлектрических свойств ШІЄНО)
титаната свинца;
- теоретическое изучение доменной структуры в пленочнм
сегнетоэлектриках.
Объект и методики исследования
Выбор объекта исследования обусловлен тем, что классически! сегнетоэлектрик ВаТіОз в пленочном состоянии, а также различны! композиции на его основе из технологических соображений, удобнеї заменять одним из его аналогов РЬТіОз- Пленки сегнетоэлектрическо го титаната свинца получали путем многоступенчатого отжига гетеро структур Pb/Ti или Si/Pb/Ti в атмосфере кислорода. Фазовый состаї исследуемых пленок определялся с помощью диффрактометра ДРОН ЗМ. Диэлектрические измерения проводились по модернизированное схеме Сойера-Тауэра, а также на других установках, позволяющи: изучать сегнетоэлектричество в тонких слоях.
Новизна основных положений и выводов работы состоит в том что:
предложен новый способ получения пленок титаната свинца обладающих сегнетоэлектрическими свойствами на металлических \ полупроводниковых подложках прямым синтезом из исходных компо нентов.
показано, что варьируя условия синтеза и комбинацию исход ных элементов пленки можно получать конечную фазу, обладающую і зависимости от состава и технологии диэлектрическими, сегнетоэлек трическими или полупроводниковыми свойствами.
показано, что полученные пленки обладают толщинными і температурными зависимостями коэрцитивного поля, характерным! для сегнетоэлектриков.
проведен теоретический анализ параметров доменной структурі: в зависимости от условий формирования пленки.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Новый способ формирования тонких пленок, основанный н; многоступенчатом отжиге в атмосфере кислорода комбинации ис ходных компонентов на металлической или полупроводниковой под ложках, позволяющий получать слои титаната свинца с выраженным! сегнетоэлектрическими свойствами .
2.Результаты анализа фазового состава синтезированных пленої титаната свинца с помощью рентгеновской диффрактографии, пока зывающие, что наиболее выраженными сегнетоэлектрическими свой
ствами обладают пленки, имеющие фазовый состав близкий к стехио-метрическому РЬТЮз с небольшой (до 10 %) примесью фазы РЬТізОу.
З'.Механизм формирования оксидных слоев титана, кремния и свинца, служащих основой для синтеза с'егнетоэлектрических пленок, заключающийся в последовательном массопереносе компонентов исходных структур с последующим их взаимодействием. Экспериментальное подтверждение того, что вариация условий синтеза и соотношения исходных компонентов позволяет формировать тонкие слои на основе титаната свинца с заданными электрофизическими свойствами.
4.Результаты исследования сегнетоэлектрических свойств синтезированных пленок титаната свинца на подложках из монокристаллического кремния и поликристаллического титана. Толщинные и температурные зависимости коэрцитивного поля, определяемые по петле диэлектрического гистерезиса близки к характерным для сегнетоэлек-триков. Зависимость_диэлектрической проницаемости от температуры пленок титаната свинца имеет ярко выраженный рост вблизи Тс.
З.Аналитические зависимости периода доменной структуры от геометрии, диэлектрических свойств, проводимости слоев гетерост-руктуры, включающей РЬТі03.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что впервые предложен и экспериментально реализован способ формирования тонких пленок титаната свинца, обладающих сегнетоэлек-трическими свойствами, на основе прямого синтеза из исходных компонентов. Определены оптимальные условия многоступенчатого отжига исходных структур в атмосфере кислорода, позволяющие получать тонкие пленки с заданными свойствами с достаточной степенью воспроизводимости. Относительная простота и дешевизна получения синтезированных пленок позволяет рассматривать их как перспективный объект при использовании в микроэлектронике.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на III и VI региональных конференциях «Проблемы химии и химической технологии» (г. Воронеж, 1995, 1998 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (г.Тула, 1997г.), IV международной конференции «Физика и технология тонких пленок» (г.Ивано-Франковск, 1997г.), Международной конференции «Electroceramics VI» (Montreux, Switzerland! 1998 г.).
Заказ № <7 от^40#1Э98 г. Тир. fOO экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ
Публикации и вклад автора По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Авторе получены все объекты исследования, основные экспериментальные теоретические результаты.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из ввел ния, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изл жена на 115 страницах машинописного текста, иллюстрирована 17 р сунками. Библиография содержит 102 наименования.
