РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК BiFeO3 ДЛЯ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Алябьева Наталья Ивановна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Алябьева Наталья Ивановна. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК BiFeO3 ДЛЯ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ: диссертация ... кандидата технических наук: 05.27.01 / Алябьева Наталья Ивановна;[Место защиты: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" http://hub.sfedu.ru/diss/announcement/3dedf421-b0bf-4d3d-af1f-c657bea8725d/].- Ростов-на-Дону, 2014.- 171 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Пленки феррита висмута для формирования сегнетоэлектрических элементов памяти . 18

1.1 Приборы на основе пленок BiFeO3 . 18

1.1.1 Структура и свойства BiFeO3 18

1.1.2 Пленки BiFeO3 в устройствах обработки и хранения информации 23

1.2 Технологии получения пленок BiFeO3 31

1.3 Способы исследования пленок BiFeO3 35

1.3.1 Сканирующая электронная микроскопия . 35

1.3.2 Просвечивающая электронная микроскопия . 37

1.3.3 Сканирующая зондовая микроскопия 39

1.4 Режимы взаимодействия системы «кантилевер-образец» для исследования электрофизических свойств материалов методами АСМ 45

1.4.1 Моделирование системы взаимодействия «кантилевер-образец» в динамической АСМ 45

1.4.2 Моделирование системы взаимодействия «кантилевер-образец» в токовой статической АСМ 49

1.5 Выводы и постановка задачи . 51

ГЛАВА 2. Моделирование режимов асм-взаимодействия системы «кантилевер-образец» для исследования электрофизических параметров пленок BiFeO3 53

2.1 Модель определения оптимальной длины зонда кантилевера для исследования нормального пьезоотклика пленок BiFeO3 методом пьезо-силовой микроскопии 53

2.2 Модель определения оптимальной силы прижима кантилевера к поверхности образца для исследования его электрических характеристик методом АСМ 66

2.3 Выводы по главе 70

ГЛАВА 3. Разработка методик асм-нанодиагностики электрофизических свойств пленок BiFeO3 72

3.1 Комплексный анализ электрофизических параметров пленки BiFeO3 методами АСМ . 72

3.1.1 Исследование морфологии поверхности и СДС пленки BiFeO3 методом ПСМ 72

3.1.2 Разработка методики определения трехмерной ориентации векторов поляризации СДС пленок BiFeO3 методом ПСМ 80

3.1.3 Исследование закономерностей влияния геометрических параметров зонда АСМ на компоненты сил взаимодействия в системе «кантилевер-образец» динамического режима АСМ 88

3.1.4 Разработка модифицированного кантилевера для исследования нормального пьезомодуля d33 СДС пленки BiFeO3 94

3.1.5 Исследование нормального пьезомодуля d33 СДС пленки BiFeO3 методом ПСМ 98

3.2 Исследование СДС пленки BiFeO3 методами электронной

микроскопии 106

3.2.1 Разработка методики отображения СДС пленки BiFeO3 методом растровой электронной микроскопии . 106

3.2.2 Исследование СДС пленки BiFeO3 методами просвечивающей электронной микроскопии 110

3.3 Определение оптимальных режимов взаимодействия системы «кантилевер-образец» для исследования электрических параметров материалов методом АСМ ОСР 113

3.4 Выводы по главе 121

ГЛАВА 4. Разработка технологии формирования наноразмерных планарных структур на основе пленок bifeo3 для устройств обработки и хранения информации 123

4.1 Разработка технологического маршрута и исследование процессов формирования наноразмерных планарных структур на основе пленки BiFeO3 123

4.1.1 Исследование электрофизических параметров наноразмерных планарных структур на основе пленки BiFeO3 128

4.1.2 Исследование влияния динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 на изменение вольт-токовых характеристик наноразмерных емкостных ячеек 134

4.1.3 Исследование влияния размерных эффектов наноразмерных планарных структур на основе пленки BiFeO3 138

4.2 Разработка конструкции и технологического маршрута формирования устройства обработки и хранения информации с пленкой BiFeO3 в качестве переключающего элемента 142

4.3 Выводы по главе . 148

Заключение . 149

Список используемых источников .

Технологии получения пленок BiFeO3
Модель определения оптимальной силы прижима кантилевера к поверхности образца для исследования его электрических характеристик методом АСМ
Исследование морфологии поверхности и СДС пленки BiFeO3 методом ПСМ
Исследование влияния динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 на изменение вольт-токовых характеристик наноразмерных емкостных ячеек

Введение к работе

Актуальность диссертационной работы

Развитие современной электронной техники связано с модернизацией
компонентов приборов для улучшения основных приборных характеристик:
быстродействия, плотности упаковки элементов, энергопотребления и т.д. В
связи с этим, актуальной задачей является применение материалов, которые
обладают уникальными электрофизическими свойствами, но совместимы с
полупроводниковыми материалами компонентов приборов. Мультиферроик
BiFeO₃ обладает магнитоэлектрическими свойствами при комнатной

температуре, достаточно высокой температурой фазовых переходов (T_K = 1143 K, T_N = 643 K) и высоким значением спонтанной поляризации (~100 мкKл/см²). Свойство BiFeO₃ дискретно изменять направление вектора поляризации на 180, 109 и 71 под воздействием внешнего электрического поля и сохранять его в отсутствии поля используется в качестве физической основы работы элементов устройств обработки и хранения информации типа FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) и ReRAM (Resistive Random Access Memory). Выполняя роль основного компонента памяти, емкостная ячейка BiFeO₃ может быть масштабирована до нескольких десятков нанометров, сохраняя при этом необходимые приборные свойства. Перспектива формирования массивов наноразмерных планарных структур – емкостных ячеек на основе пленок BiFeO₃ – открывает новые возможности увеличения плотности упаковки компонент устройств обработки и хранения информации. На сегодняшний день минимальный латеральный размер емкостных ячеек на основе BiFeO₃ составляет порядка 100 нм, при этом ключевой задачей является разработка технологических основ создания таких ячеек.

Одним из основных способов прецизионной диагностики характеристик пленок BiFeO₃, а также оценки качества разрабатываемой технологии формирования наноразмерных емкостных структур являются методы атомно-силовой микроскопии (АСМ). Так, метод пьезо-силовой микроскопии (ПСМ) позволяет исследовать сегнетоэлектрическую доменную структуру (СДС) материалов за счет обратного пьезоэффекта, определять значения их пьезомодулей, а также исследовать фазовые ориентационные переходы. Метод АСМ отображения сопротивления растекания (АСМ ОСР) в режиме спектроскопии позволяет исследовать ток реполяризации емкостных ячеек, детектируя токи вплоть до нескольких пикоампер. Несмотря на достоинства методов ПСМ и АСМ ОСР, их применение осложнено возможностью возникновения артефактов в детектируемых сигналах. Так, исследование методом ПСМ осложнено возможностью искажения нормального пьезоотклика в результате влияния механических продольных сил, действующих на зонд, и электростатических сил, действующих между острием зонда и поверхностью образца. При исследовании тока реполяризации емкостной ячейки BiFeO₃ методом АСМ ОСР возможно снижение достоверности токового сигнала ячейки, зависящего от стабильности взаимодействия системы «кантилевер-образец».

Таким образом, задачи разработки технологических основ формирования
наноразмерных сегнетоэлектрических емкостных ячеек BiFeO₃ и

совершенствования методик нанодиагностики методами ПСМ и АСМ ОСР для исследования электрофизических свойств пленок BiFeO₃ являются актуальными.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка технологических основ формирования наноразмерных сегнетоэлектрических емкостных ячеек на основе пленок BiFeO₃ методом фокусированных ионных пучков (ФИП) и методик АСМ-нанодиагностики электрофизических свойств пленок BiFeO₃ для создания перспективных устройств обработки и хранения информации.

Для достижения целей диссертационной работы должны быть решены следующие задачи:

1. Обобщение и выявление основных требований к характеристикам пленок
BiFeO₃ для применения в устройствах обработки и хранения информации. Анализ
методов прецизионного исследования сегнетоэлектрических свойств пленок
BiFeO₃;

Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей влияния геометрических параметров зонда АСМ на компоненты сил взаимодействия в системе «кантилевер-образец» в динамическом режиме АСМ;
Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей влияния давления на зонд АСМ на достоверность отображения сопротивления растекания;
Разработка комплексной методики анализа трехмерной ориентации векторов поляризации СДС пленки BiFeO₃ методом ПСМ;

5. Разработка технологического маршрута формирования методом
фокусированных ионных пучков планарных наноразмерных
сегнетоэлектрических емкостных ячеек на основе пленок BiFeO₃. Исследование
методами АСМ тока реполяризации, размерных эффектов и динамики
ориентационных переходов векторов поляризации СДС в наноразмерных
сегнетоэлектрических емкостных ячейках на основе пленок BiFeO₃;

6. Разработка конструкции и технологического маршрута формирования
устройства обработки и хранения информации на основе пленки BiFeO₃ в
качестве переключающего элемента с использованием кластерного
нанотехнологического комплекса НАНОФАБ.

Научная новизна:

Разработана математическая модель, устанавливающая теоретические закономерности влияния длины зонда АСМ на его отклонение по нормали в динамическом режиме АСМ с учетом емкостных, кулоновской, упругих сил и нагрузки на кантилевер и позволяющая определять оптимальные параметры зонда для исследования нормального пьезоотклика образца методом ПСМ. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями.
Теоретически установлены закономерности влияния силы прижима кантилевера к поверхности образца на определяемое методом АСМ ОСР удельное сопротивление полупроводникового материала с учетом изменения приконтактной площади «зонд-образец», позволяющие подбирать нагрузку на кантилевер для определения удельного сопротивления с высокой

достоверностью. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями.

3. Экспериментально установлены закономерности влияния динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO₃ на изменение вольт-токовых характеристик наноразмерных емкостных ячеек с учетом нагрузки на кантилевер.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика определения нормального пьезомодуля d₃₃ и
трехмерной ориентации векторов поляризации СДС пленки BiFeO₃. Показано, что
для модифицированного кантилевера с длиной зонда 1,4 мкм детектируемый
пьезомодуль пленки BiFeO₃ составляет d₃₃=(50-70) пм/В, при этом взаимная
ориентация соседних векторов поляризации составляет 71. Для наноразмерной
емкостной ячейки на основе пленки BiFeO₃ толщиной (50-70) нм приложение к
кантилеверу коэрцитивного напряжения -8 В и нагрузки (0,5-1) мкН приводит к
переключению вектора поляризации СДС пленки BiFeO₃ на 109 или 180, а
приложение нагрузки 2 мкН приводит к переключению вектора поляризации СДС
пленки BiFeO₃ на 0 или 71;

2. Разработана методика визуализации СДС пленки BiFeO₃ методом РЭМ с
использованием TLD-BSE детектора, позволяющая при параметрах электронного
пучка 5 кВ, 0,4 нА и 0 наклона образца относительно TLD отображать
нормальную составляющую пьезоотклика BiFeO₃, а при 15 наклона образца
относительно TLD – латеральную составляющую пьезоотклика BiFeO₃;

Разработана и зарегистрирована в реесте Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии (№023-01.00281-2011) методика выполнения измерений удельного сопротивления полупроводниковых материалов гомогенного типа методом АСМ ОСР, на основе которой установлено, что высокая точность определения удельного сопротивления для образца КЭС-0,01 достигается при силе прижима кантилевера 1 мкН, а для КДБ-10 – при 2,5 мкН;
Разработан технологический маршрут формирования методом ФИП массивов наноразмерных емкостных ячеек на основе пленки BiFeO₃. Показано, что при параметрах ионного пучка 30 кВ, 30 пА достигается латеральный размер ячейки 90 нм, коэрцитивное напряжение ±8 В, значение пьезомодуля d₃₃ порядка 10 пм/В. Согласно оценкам, при параметрах ионного пучка 5 кВ, 0,4 нА методика позволит формировать емкостные ячейки размером (10-20) нм;
Предложена конструкция элемента энергонезависимого оперативного запоминающего устройства FeTRAM типа 1T с емкостной ячейкой на основе пленки BiFeO₃. Согласно оценкам, конструкция позволит снизить число транзисторов в ячейке с 6 до 1 в сравнении с КМОП и понизить требования к значениям поляризации пленки BiFeO₃ в сравнении с аналогами на основе ПТШ, при этом время переключения емкостной ячейки из одного состояния в другое составит порядка 2 нс.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель зависимости отклонения зонда АСМ по нормали от его длины в динамическом режиме АСМ с учетом емкостных, кулоновской,

упругих сил и нагрузки на кантилевер, позволяющая определять его оптимальную длину для исследования нормального пьезоотклика методом ПСМ;

2. Методика ПСМ для определения трехмерной ориентации векторов
поляризации СДС пленки BiFeO₃, позволяющая определять ориентацию доменов
в емкостной ячейке на основе пленки BiFeO₃ и диагностировать направление и
углы вектора переключения поляризации (180, 109 и 71), коррелирующие с
вольт-токовым характеристиками структуры;

3. Технологический маршрут формирования методом ФИП наноразмерных
емкостных ячеек на основе пленки BiFeO₃ с латеральным размером 90 нм.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных
научно-исследовательских работ кафедры НТМСТ и НОЦ «Нанотехнологии»
ЮФУ в 2009-2013 гг.: «Исследование и разработка технологических процедур
для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на
основе использования сверхвысоковакуумной технологической

автоматизированной платформы кластерного типа» х/д ЗАО «НТ-МДТ»; «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; «Разработка и исследование методик формирования зондовых датчиков для специализированных задач зондовой нанодиагностики методом фокусированных ионных пучков» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы; «Синтез наноструктурированных слоев оксидных материалов методами магнетронного распыления и импульсного лазерного осаждения в условиях ионной стимуляции для использования в качестве чувствительных элементов фотоприемников инфракрасного диапазона и газовых сенсоров», РФФИ 2013 год.

Результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО «НТ-МДТ» (г. Москва), в НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ (г. Таганрог), а также в учебный процесс на кафедре НТМСТ ЮФУ (г.Таганрог).

Апробация работы:

техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010»
(Россия, п. Дивноморское, 2010); I региональная научно-практическая
конференция «Развитие работ в области нанотехнологий и их метрологическое
обеспечение в Южном федеральном округе» (Россия, г. Азов, 2009);
Межрегиональная научно-технологическая конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна –
2009» (Россия, г. Новочеркасск, 2009); Всероссийская молодежная школа-
семинар «Нанотехнологии и инновации – НАНО-2009» (Россия, г. Таганрог,
2009); «Неделя науки» (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2008); V-VII Ежегодная
научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного
центра РАН (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2009-2011); IX-X Всероссийская научная
конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика,

радиоэлектроника и системы управления» (Россия, г. Таганрог, 2008, 2010).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: Второй международной конференции «Образование для сферы нанотехнологий: современные подходы и перспективы» (Россия, г. Москва, 2011); VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2011); X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Россия, г. Таганрог, 2010); Всероссийской молодежной школы-семинара «Нанотехнологии и инновации – НАНО-2009» (Россия, г. Таганрог, 2009).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 23 печатных работ, из них 7 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации:

Технологии получения пленок BiFeO3

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 4th International Conference on Advanced Materials Research, (Китай, г. Макао, 2014); International Symposium on Physics and Mechanics of New Materials and Underwater Applications «PHENMA 2014» (Таиланд, г. Кхонкэн, 2014); International Symposium on Physics and Mechanics of New Materials and Underwater Applications «PHENMA 2013» (Тайвань, г. Гаосюн, 2013); XI Всероссийская конференция по физике полупроводников (Россия, г. Санкт-Петербург, 2013); The 5th Forum NANO and GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy – Symposium and Summer school (Россия, г. - 13 Москва, Зеленоград, 2011); XXIII Всероссийская конференция по электронной микроскопии (Россия, г. Черноголовка, 2010); Международная научно техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010» (Россия, п. Дивноморское, 2010); I региональная научно-практическая конференция «Развитие работ в области нанотехнологий и их метрологическое обеспечение в Южном федеральном округе» (Россия, г. Азов, 2009); Межрегиональная научно-технологическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна – 2009» (Россия, г. Новочеркасск, 2009); Всероссийская молодежная школа-семинар «Нанотехнологии и инновации – НАНО-2009» (Россия, г. Таганрог, 2009); «Неделя науки» (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2008); V-VII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2009-2011); IX-X Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Россия, г. Таганрог, 2008, 2010).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 23 печатных работ, из них 7 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. - 14 Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, а также сведения об апробации работы и структуре диссертации. В первой главе представлен обзор основных свойств мультиферроидных материалов с выраженными магнитоэлектрическими связями. Рассмотрены основные конструкции устройств обработки и хранения информации с пленкой BiFeO3 в качестве переключающего элемента. Показано, что устройства обработки и хранения информации на основе BiFeO3 являются конкурентоспособными, так как обладают низким энергопотреблением, большим числом циклов обращения к ячейке, быстродействием и возможностью создания массивов наноструктур с высокой плотностью упаковки сегнетоэлектрических компонент элементов памяти. Выявлены основные проблемы, возникающие при использовании пленок BiFeO3 как компонент элементов памяти: - необходимость выбора оптимальной конструкции гетероструктуры с функциональным слоем BiFeO3, позволяющей осуществлять латеральное масштабирование пленки BiFeO3 вплоть до нескольких десятков нанометров; - необходимость разработки комплексных методик исследования сегнетоэлектрических свойств пленки BiFeO3, а также способов снижения артефактов в детектируемых сигналах ПСМ и АСМ ОСР; - отсутствие технологий и режимов создания емкостных ячеек на основе BiFeO3 с латеральным размером менее 100 нм для применения в перспективных устройствах обработки и хранения информации. Сделан вывод о необходимости совершенствования методов исследований СДС пленок BiFeO3 с целью поиска способов устранения артефактов в детектируемых сигналах ПСМ и АСМ ОСР, а также разработки технологических - 15 -основ формирования наноразмерных емкостных ячеек на основе пленок BiFeO3 для перспективных устройств обработки и хранения информации. Результаты обзора позволили поставить цель и определить задачи работы.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований оптимальной длины зонда кантилевера, позволяющего снизить влияние компонент сил, действующих на систему «проводящий кантилевер-образец» в динамической АСМ и повысить возможности измерительной системы к детектированию нормального пьезоотклика СДС пленки BiFeO3 методом ПСМ. Представлены теоретические расчеты влияния длины зонда кантилевера на показатели его нормальной, латеральной и продольной жесткости, на основе чего было рассмотрено влияние длины зонда на его отклонение по нормали с учетом емкостных, кулоновской, упругих сил и нагрузки на кантилевер в динамическом режиме АСМ. Был определен диапазон оптимальных значений длины зонда кантилевера, позволяющий минимизировать все побочные компоненты сил, действующих на систему «проводящий кантилевер-образец» в динамическом режиме АСМ.

На базе существующих аналитических моделей взаимодействия системы «проводящий кантилевер-полупроводниковый образец» в токовой статической АСМ была установлена теоретическая закономерность влияния силы прижима кантилевера к поверхности образца гомогенного типа на значения его удельного сопротивления.

Модель определения оптимальной силы прижима кантилевера к поверхности образца для исследования его электрических характеристик методом АСМ

Описание системы взаимодействия «кантилевер-образец» будет неполным, если не рассматривать статическую модель ее токового взаимодействия. Как описывалось ранее, метод АСМ ОСР позволяет определять электрические параметры материалов, основываясь на процессах, протекающих в результате взаимодействия проводящего кантилевера и поверхности образца при подаче постоянного напряжения в системе «кантилевер-образец». Несмотря на сложность процессов, протекающих на наноуровне в момент такого взаимодействия, разрабатываются фундаментальные аналитические математические модели определения сопротивления растекания исследуемого образца с высокой точностью и воспроизводимостью результатов измерения.

Принято считать, что измеряемое методом АСМ ОСР сопротивление Rtot включает сопротивление зонда Rp, сопротивление зондового наноконтакта Rspr1, сопротивление наноконтакта образца Rspr2, сопротивление образца Rsamp и сопротивление контакта с обратной стороны Rb [80, 81] (рисунок 1.18): , где Vp, v, - коэффициенты Пуассона материалов острия кантилевера и образца; Ер, Es - модули Юнга материалов острия зонда и образца. Когда радиус контакта острия зонда с поверхностью образца мал ( 1 нм), для определения процессов, протекающих на границе раздела зонд-образец рассматривают модель «наноконтакта» Шарвина [80, 93]: где XPyS - длина свободного пробега носителей заряда в материалах покрытия зонда и подложки, соответственно. Рассмотренные выражения будут использоваться для установления методом АСМ ОСР зависимости удельного сопротивления материала гомогенного типа от силы прижима кантилевера к его поверхности (гл. 2), на основе чего будут определены оптимальные режимы статического токового взаимодействия - 51 -системы «кантилевер-образец» (гл. 3), применяемые для исследования тока реполяризации емкостных Выводы и постановка задачи

1. Обзор литературы показал, что мультиферроик BiFeO3 обладает ярко выраженным магнитоэлектрическим эффектом при комнатной температуре, высокими температурами фазовых переходов, сильной спонтанной поляризацией в направлении [111]с.

2. Показано, что способность BiFeO3 осуществлять ориентационные фазовые переходы под действием внешнего поля и сохранять направление вектора поляризации при его отсутствии является физической основой работы устройств обработки и хранения информации типа FeRAM и ReRAM, а также некоторых устройств MRAM.

3. Проведенный анализ способов получения пленок BiFeO3 показал, что методы ИЛО и МЛЭ позволяют формировать пленки BiFeO3 с равномерным распределением доменной структуры и малой шероховатостью поверхности, при этом кристаллографически совместимой гетероструктурой для пленки BiFeO3 является SrRuO3/DyScO3.

4. Рассмотрены методы исследования пленок BiFeO3 и структур на их основе, а также способы визуализации и анализа сегнетоэлектрической доменной структуры пленки BiFeO3. Показано, что РЭМ и ПЭМ в сочетании с методами АСМ позволяют проводить комплексные исследования электрофизических и структурных параметров пленки BiFeO3. 5. Рассмотрены математические модели описания режимов взаимодействия системы «кантилевер-образец» в динамической и токовой статической АСМ. Представлены выражения компонент нелокальных и локальных сил, действующих на систему «проводящий кантилевер-сегнетоэлектрический образец».

Таким образом, проведенный обзор областей применения мультиферроиков с -сформулировать цель диссертационной работы: разработка технологических основ формирования наноразмерных сегнетоэлектрических емкостных ячеек на основе пленок BiFeO3 методом фокусированных ионных пучков (ФИП) и методик АСМ-нанодиагностики электрофизических свойств пленок BiFeO3 для создания перспективных устройств обработки и хранения информации.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи диссертационной работы:

1. Обобщение и выявление основных требований к характеристикам пленок BiFeO3 для применения в устройствах обработки и хранения информации. Анализ методов прецизионного исследования сегнетоэлектрических свойств пленок BiFeO3;

2. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей влияния геометрических параметров зонда АСМ на компоненты сил взаимодействия в системе «кантилевер-образец» в динамическом режиме АСМ;

3. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей влияния давления на зонд АСМ на достоверность отображения сопротивления растекания;

4. Разработка комплексной методики анализа методом ПСМ трехмерной ориентации векторов поляризации СДС пленки BiFeO3;

5. Разработка технологического маршрута формирования методом фокусированных ионных пучков планарных наноразмерных сегнетоэлектрических емкостных ячеек на основе пленок BiFeO3. Исследование методами АСМ тока реполяризации, размерных эффектов и динамики ориентационных переходов векторов поляризации СДС в наноразмернх сегнетоэлектрических емкостных ячейках на основе пленок BiFeO3;

6. Разработка конструкции и технологического маршрута формирования устройства обработки и хранения информации на основе пленки BiFeO3 в качестве переключающего элемента с использованием кластерного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ.

Исследование морфологии поверхности и СДС пленки BiFeO3 методом ПСМ

Таким образом, метод ПСМ позволяет получать данные о распределении СДС и может применяться при исследовании пьезоэлектрических свойств материалов. Исследование латерального вклада вектора поляризации не требует сложного анализа механизмов детектирования сигналов амплитуды и фазы колебания кантилевера, что позволяет достоверно определять направление вектора поляризации в плоскости образца [112-114]. Анализ амплитуды и фазы нормальных колебаний кантилевера осложняется за счет наличия продольных и электростатических сил, действующих в системе «проводящий кантилевер-пленка BiFeO3» и влияющих на отображение нормального пьезоотклика образца. В связи с этим, для исследования нормального пьезоотклика и направления векторов поляризации необходимо проводить не только анализ детектируемых сигналов амплитуды и фазы, но и исследовать механизмы взаимодействия системы «кантилевер-образец» [113, 114].

Исследование закономерностей влияния геометрических параметров зонда АСМ на компоненты сил взаимодействия в системе «кантилевер-образец» динамического режима АСМ

В п. 2.1 главы 2 был предложен способ повышения уровня сигнала нормального пьезоотклика пленки BiFеO3 путем увеличения жесткости кантилевера на кручение. Теоретический расчет показал, что оптимальное значение длины зонда кантилевера, позволяющего минимизировать все побочные силы, действующие на кантилевер в процессе ПСМ-сканирования, является (1–1,5) мкм.

Для экспериментального подтверждения теоретических расчетов п. 2.1 главы 2 методом фокусированных ионных пучков (установка Nova NanoLab 600, FEI, Нидерланды) был сформирован набор модифицированных кантилеверов с разной длиной зонда (рисунок 3.10). В качестве основы использовался коммерчески доступный кантилевер NSG 11/Pt с длиной зонда 14,79 мкм (рисунок 3.10, а).

Модифицированные кантилеверы (рисунок 3.10, б-г) были получены путем стравливания части острия зонда коммерчески доступного кантилевера ионным пучком (30 кВ и 1,5 нA) с последующим осаждением методом ФИП ГФХО углеродного зонда (параметры ионного пучка 30 кB, 10 пA) и заточки его острия (30 кB, 1 пA) [115]. При этом радиус закругления острия зонда всех кантилеверов коррелировал с коммерчески доступным и составил 35 нм. Для исследования влияния длины зонда кантилевера на уровень детектируемого методом ПСМ сигнала нормального пьезоотклика СДС на пленке BiFeO был выбран участок размером (9x9) мкм с однородным распределением полосовых доменов. Как и в предыдущем случае, была сформирована маркерная область размером (3x3) мкм. На рисунке 3.11 представлены ПСМ-изображения латеральной и нормальной амплитуды пьезоотклика пленки BiFeO3, полученные коммерчески доступным кантилевером.

Анализ ПСМ-изображений по разработанной методике показал, что вектора поляризации СДС пленки BiFeO3 (вне маркерной области) направлены вверх (P+) и их взаимная ориентация соответствует рисунку 3.9. Как и в предыдущем случае (раздел 3.1.2), сигналы нормального пьезоотклика пленки BiFeO3, детектируемые методом ПСМ, содержат артефакты доменной структуры в направлениях сканирования [010] и [110] (рисунок 3.11, г, е).

Для исследования влияния длины зонда кантилевера на уровень детектируемого сигнала нормального пьезоотклика СДС пленки BiFeO3 была выбрана область (3,53,5) мкм рисунка 3.11(г).

На рисунке 3.12(а-в) представлены ПСМ-изображения амплитуды нормального пьезоотклика пленки BiFeO3, полученные кантилеверами с длиной зонда 14,79, 6,03 и 4,34 мкм. Видно, что артефакты в сигналах нормального пьезоотклика сохраняются для всех кантилеверов, отображая на НПСМ-изображениях ложный доменный контраст. Анализ ПСМ-изображений относительно середины амплитудной шкалы показал, что вектор поляризации доменов 1 – P+, в свою очередь, вектор поляризации доменов 2 находится ниже середины амплитудной шкалы – P-, что обусловлено влиянием продольных механической и электростатической сил между зондом и поверхностью пленки BiFeO3, влияние которых подавляет пьезоэлектрический отклик СДС.

На рисунке 3.12(г) представлена профилограмма пьезоамплитуды СДС пленки BiFeO3 вдоль линий рисунка 3.12(а-в), значение которой определялось по выражению [84]:

Apiezo = A – Anlс – Alc, (3.1)

где Apiezo – электромеханический вклад, отражающий сегнетоэлектрическую природу образца; A – детектируемый методом ПСМ сигнал амплитуды; Anl – нелокальный вклад, связанный с емкостным взаимодействием балки кантилевера и образца, определяемый как Anlc = Fnlc/k, где Fnlc – нелокальная емкостная сила, определяемая по выражению (1.7); Alc – электростатический вклад, связанный с емкостным взаимодействием кончика острия зонда и образца, определяемый как Alc = Flc/kn, где Flc – локальная емкостная сила, определяемая по выражению (1.8).

Сигнал амплитуды, детектируемый методом ПСМ, имеет размерность «наноамперы». Перевод единиц измерения из «наноампер» в «нанометры» осуществлялся по кривым подвода, с учетом, что 1 нА (Mag) = 2 нА (DFL) [76]. переменного напряжения, равное ±1 В, Q – ПСМ-фактор качества, равный 100.

Значение пьезомодуля d33 пленки BiFeO3, полученное кантилеверами с длиной зонда 14,79, 6,03 и 4,64 мкм составило впорядка 5 пм/В, что значительно меньше известного из литературных источников, где диапазон допустимых значений пьезомодуля d33 равен (40-80) пм/В для пленки BiFeO3 толщиной (50-70) нм, полученной методом ИЛО на буферной гетероструктуре SrRuO3/DyScO3 [85, 116, 117]. Малая чувствительность измерительной системы обусловлена влиянием продольного сдвига балки в процессе ПСМ-сканирования, что соответствует теоретическим расчетам главы 2.

При исследовании выбранной области поверхности пленки BiFeO3 (рисунок 3.11, г) кантилевером с длиной зонда 0,8 мкм детектируемый уровень пьзоамплитуды СДС пленки BiFeO3 значительно увеличился (рисунок 3.13, а). Значение пьезомодуля d33, рассчитанное по выражению (3.2) с учетом пьезоамплитуды, определяемой по формуле (3.1), находится в диапазоне (40-50) пм/В (рисунок 3.13, г), что удовлетворяет известным из литературы данным [85, 116, 117]. Однако, повторное сканирование выбранной области методом ПСМ привело к переориентации векторов поляризации маркерной области за счет влияния напряженности электрического поля, создаваемого балкой кантилевера (рисунок 3.13, б). Наблюдаемое экспериментально влияние нелокальной напряженности электрического поля на исходную ориентацию векторов поляризации пленки BiFeO3 обсуждалось в главе 2.

Исследование влияния динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 на изменение вольт-токовых характеристик наноразмерных емкостных ячеек

Исследование влияния динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 на изменение вольт-токовых характеристик наноразмерных емкостных ячеек с учетом нагрузки на кантилевер осуществлялось в два этапа. На первом этапе исследовалось влияние силы прижима кантилевера на детектируемые вольт-токовые характеристики емкостных ячеек на основе BiFeO3. На втором этапе исследовалось влияние силы прижима кантилевера на динамику ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 в емкостной ячейке. Анализ полученных результатов позволил установить связь динамики ориентационных фазовых переходов СДС пленки BiFeO3 в емкостной ячейке и изменения ее вольт-токовых характеристик.

Влияние силы прижима кантилевера на детектируемые токи реполяризации исследовалось на емкостной ячейке 3 области I на рисунке 4.6 путем приложения механической нагрузки к кантилеверу в диапазоне (0,5-2) мкН с одновременной подачей напряжения смещения от -5 до 5 В и от 5 до -5 В.

При силе прижима кантилевера к поверхности BiFeO3 порядка 0,5 и 1 мкН токовый гистерезис имеет прямую и обратную ветви, что обусловлено переключением вектора поляризации при приложении коэрцитивного напряжения ±5 В. Механизмы переключения вектора поляризации при приложении коэрцитивного напряжения 5 В соответствуют как ранее рассмотреным, так и ветвям 2 и 3 ВТХ на рисунке 4.10(а). Малая нагрузка на кантилевере позволяет cформировать на поверхности пленки BiFeO3 отрицательный заряд вблизи Pt, при котором приложение коэрцитивного напряжения -5 В к системе «кантилевер образец» приводит к переключению вектора поляриации, формируя положительный заряд на поверхности BiFeO3 cо стороны Pt и отрицательный – со -стороны SrRuO3, в следствие чего образуется обратная ветвь ВТХ (рисунок 4.10(а), ветви 1 и 4). Наличие обратной ветви при приложении коэрцитивного напряжения -5 В обусловлено переключением вектора поляризации на 109 или 180. Зашумленность ВТХ при нагрузках (0,5-1) мкН вызвана неустойчивым взаимодействием системы «кантилевер-образец».

Сила прижима кантилевера 2 мкН позволяет обеспечить стабильное взаимодействие системы «проводящий кантилевер-образец», при этом токовый гистерезис имеет только прямую ветвь (корреляция с рисунком 4.8, в), что обусловлено работой ячейки в высокоомном режиме и сохранением исходного положения вектора поляризации при приложении коэрцитивного напряжения -5 В (рисунок 4.10, а). Наличие только прямой ветви тока обусловлено деформацией поверхности BiFeO3 в результате измерений АСМ ОСР с нагрузкой на кантилевер 2 мкН.

Исследование динамики ориентационных переходов вектора поляризации емкостной ячейки на основе пленки BiFeO3 (рисунок 4.6, область I, ячейка 3) осуществлялось с использованием МК в два этапа. Сначала к системе «проводящий кантилевер-образец» поочередно прикладывалось напряжение смещения ±5 В и осуществлялось сканирование методом АСМ ОСР с силой прижима кантилевера 1, 0,5 и 2 мкН. На втором этапе после каждого сканирования АСМ ОСР с выбранной нагрузкой методом ПСМ исследовалось изменение направления векторов поляризации доменов ячейки по сигналам нормального и латерального пьезооткликов ячейки. На рисунке 4.10(б) представлены ПСМ-изображения емкостной ячейки на основе пленки BiFeO3. Видно, что емкостная ячейка содержит два домена. Анализ ПСМ-изображений амплитуды нормальных и латеральных колебаний кантилевера позволил определить начальную ориентацию векторов поляризации доменов в ячейке (домены 1 и 2), которая составила 109 относительно друг друга (рисунок 4.10, б). При этом домен 1 ориентирован вниз и влево, а домен 2 – вниз и вправо.

При сканировании емкостной ячейки методом АСМ ОСР с постоянным напряжением UDC = -5 В и силой прижима кантилевера к поверхности ячейки Анализ ПСМ-изображений амплитуды нормальных и латеральных колебаний кантилевера показал, что домены 1 и 2 были переключены на 109 относительно предыдущего положения, составляя 109 относительно друг друга.

При сканировании емкостной ячейки методом АСМ ОСР с постоянным напряжением UDC = 5 В и силой прижима кантилевера к поверхности ячейки 1 мкН вектор поляризации доменов в ячейке также переключался. Анализ ПСМ изображений амплитуды нормальных и латеральных колебаний кантилевера показал, что домен 1 был переключен на 180, тогда как домен 2 был переключен на 109 относительно предыдущего положения. Таким образом, ориентация доменов 1 и 2 составила 71 относительно друг друга. Аналогичным образом проводился анализ остальных ПСМ-изображений, полученных после предварительного сканирования ячейки методом АСМ ОСР с UDC = ±5 В и силами прижима кантилевера 0,5 и 2 мкН.

Видно, что приложение напряжения UDC = -5 В и силы прижима 0,5 и 1 мкН приводит переключению вектора поляризации на 180 и 109 (рисунок 4.10(б), домен 1), что подтверждает ранее установленные предположения – ВТХ имеет прямую и обратную ветви токового гистерезиса (рисунок 4.10, а). При сканировании АСМ ОСР с силой прижима 2 мкН и напряжением смещения -5 В вектора поляризации сохраняют исходную ориентацию (либо переключаются на 71), при этом ячейка работает в высокоомном режиме (рисунок 4.10(б), домен 1), что подтверждает ранее установленные предположения – ВТХ имеет только прямую ветвь токового гистерезиса (рисунок 4.10, а).