WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЕРХТОНКИХ ПЛЕНОК BaTiO3 Выпускная квалификационная работа бакалавра Направление подготовки 010900 «Прикладные математика и физика» За ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА НАНОМЕТРОЛОГИИ

На правах рукописи

УДК 537.226.4

БУЛАХ КОНСТАНТИН ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СВЕРХТОНКИХ ПЛЕНОК BaTiO3 Выпускная квалификационная работа бакалавра Направление подготовки 010900 «Прикладные математика и физика»

Заведующий кафедрой П.А. Тодуа __________________

Научный руководитель А.С. Батурин __________________

Студент К.В. Булах __________________

г. Долгопрудный Реферат Объем 43 с., 26 рис., 4 табл., 16 ист.

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК, ТИТАНАТ БАРИЯ, МИКРОСКОПИЯ ПЬЕЗООТКЛИКА,

ПЬЕЗОМОДУЛЬ, АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ, ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК

Объектом исследования являются сверхтонкие сегнетоэлектрические пленки BaTiO3 (титанат бария) толщиной от 1 нм до 17 нм, выращенные методом импульсного лазерного осаждения на подслое железа или платины. Образец представлял собой структуру MgO/Fe(Pt)/BaTiO3.

Общей целью исследования является разработка технологии нового типа энергонезависимой памяти, не требующей регенерации, на основе сверхтонких сегнетоэлектрических материалов.



Целями данной работы являются изучение качества сверхтонких пленок BaTiO3, выращенных методом ИЛО, и их сегнетоэлектрических свойств, оценка значения пьезоэлектрического модуля для сверхтонких пленок BaTiO3, исследование зависимости туннельного тока от направления поляризации сверхтонких пленок BaTiO3 методами атомно-силовой микроскопии.

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты.

Выполнен анализ научно-технической литературы, посвященной применениям микроскопии пьезоотклика для определения доменной структуры пьезоэлектриков, изучению свойств сверхтонких сегнетоэлектрических пленок, фундаментальным исследованиям пьезоэлектрического эффекта в твердых телах, исследованию зависимости туннельного тока через сверхтонкую пленку BaTiO3 от направления поляризации, а также обзору потенциальных практических применений структур на основе сегнетоэлектрической сверхтонкой пленки. Обзор литературы включает в себя описание методов исследования пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических образцов.

На основе анализа литературы разработана процедура определения значения эффективного пьезомодуля для сверхтонкой сегнетоэлектрической пленки BaTiO3. а также изучены методы исследования пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических образцов.

Было установлено, что сверхтонкие пленки BaTiO3, выращенные импульсным лазерным осаждением, являются сплошными.

Разработана процедура калибровки АСМ для выполнения количественных измерений пьезомодуля пьезоэлектрических образцов.

Выполнена оценка значения пьезомодуля для сегнетоэлектрических пленок BaTiO3 различной толщины, выращенных на различных проводящих слоях ( Fe, Pt ). Для Fe/BaTiO 3 это значение составляет 14 17 пм В, для Pt/BaTiO 3 – 36 52пм В.

Экспериментально наблюдался эффект зависимости туннельного тока через сверхтонкую сегнетоэлектрическую пленку от направления поляризации в ней.





Полученные результаты позволяют утверждать, что сверхтонкие сегнетоэлектрические пленки BaTiO3, выращенные методом импульсного лазерного осаждения, обладают необходимыми функциональными свойствами для реализации на их основе нового типа энергонезависимой памяти с использованием сегнетоэлектрического туннельного перехода.

–  –  –

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АСМ – атомно-силовой микроскоп ВАХ – вольт-амперная характеристика ИЛО – импульсное лазерное осаждение М – металл МЗК – метод зонда Кельвина ММС – метод модуляции силы МПО – микроскопия пьезоотклика МСР – микроскопия сопротивления растекания ПЭМ – просвечивающий электронный микроскоп РОР – резерфордовское обратное рассеяние СЭ – сегнетоэлектрик ФМ – ферромагнетик FeRAM – ferroelectric random access memory DRAM – dynamic random access memory FTJ (СТП) – ferroelectric tunnel junction (сегнетоэлектрический туннельный переход) HOPG (ВОПГ) – high oriented pyrolytic graphite (высокоориентированный пиролитический графит) MRAM – magnetoresistive random access memory TER – tunneling electroresistance TMR (ТМС) – tunneling magnetoresistance (туннельное магнитосопротивление)

1. ВВЕДЕНИЕ

Растущие потребности в дешевых устройствах энергонезависимой памяти высокой плотности в электронике, бытовой технике и машиностроении, диктуют поиск новых физических механизмов записи и хранения информации. На сегодняшний день для различных задач уже существует большое число технологий реализации запоминающих устройств. Вместе с тем, фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния, тонкопленочного материаловедения и физики наноструктур в последние годы открыли новые физические эффекты, позволяющие предложить принципиально новые механизмы для реализации запоминающих наноустройств, и снять физические ограничения на их масштабирование, быстродействие и энергопотребление. Для реализации новых физических концепций записи и хранения информации критически важен синтез новых материалов и детальное исследование их свойств, в том числе, в многослойных структурах.

Исходя из общих физических законов, при переходе к наномасштабам начинают проявляться принципиально новые свойства, связанные с эффектами размерного квантования. Таким образом, совмещение функциональных свойств объмных материалов с особенностями наноразмерных образцов открывает возможность создания структуры с управляемыми характеристиками, которые можно в дальнейшем использовать для создания различных устройств.

В частности, свойство сегнетоэлектриков (СЭ) сохранять остаточную поляризацию после снятия внешнего электрического воздействия уже используются для записи и хранения информации, однако, сохранение функциональных свойств сверхтонких СЭ пленок до недавнего времени не было подтверждено экспериментально. Между тем, именно такие сверхтонкие СЭ слои представляют большой интерес, как с научной точки зрения, так и с точки зрения возможных приложений, поскольку их использование может позволить наблюдать эффекты управления туннелированием электронов в структурах М-СЭ-М с помощью внешних электрических полей.

Реализация такого рода эффектов была предсказана теоретически [1, 2] и недавно реализована экспериментально [3].

В настоящей работе предпринята попытка роста сверхтонких СЭ слов на основе титаната бария ( BaTiO3 ) с использованием метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО) и детального исследования свойств этого материала с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ) для исследования возможности его использования в сегнетоэлектрических туннельных переходах (СТП), в которых реализован механизм управления туннельным током через СЭ слой с помощью внешних электрических полей. Успешная реализация СТП открывает возможность для создания принципиально новой технологии изготовления устройств энергонезависимой памяти.

Более того, при использовании ферромагнитных (ФМ) электродов в сочетании с СЭ туннельным изолятором возможно формирование композитных магнитоэлектрических гетероструктур, обладающих одновременно и СЭ, и ФМ свойствами, в которых возможно управление магнитными свойствами на границе раздела ФМ-СЭ при приложении электрического поля, и наоборот. Таким образом, открывается возможность создания совершенно нового типа памяти, в элементарной ячейке которой могут храниться сразу четыре состояния [4], реализуемых за счет эффекта туннельного электросопротивления и эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС).

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Свойства объемных СЭ были известны науке уже давно: первые СЭ свойства были обнаружены у кристаллов сегнетовой соли KNaC4 H 4 O6 4H 2O еще в 1920 году [5]. Аналогия электрических свойств этого вещества с ферромагнитными свойствами железа показалась столь явной, что в зарубежной литературе класс подобных веществ стали называть (и называют до сих пор) ферроэлектриками (ferroelectrics). Слово же «сегнетоэлектрик» укрепилось в русскоязычной литературе по названию материала, на котором впервые наблюдался этот эффект.

СЭ – это материалы, обладающие спонтанной поляризацией в определенном диапазоне температур, у которых наблюдается гистерезис зависимости дипольного электрического момента от приложенного электрического поля [6]. Температура, при которой пропадает спонтанная поляризация СЭ, называется температурой Кюри. Такие свойства делают этот класс материалов похожим на ферромагнетики.

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются во внешнем электрическом поле и остаются ориентированными после его снятия; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. В СЭ, имеющих структуру перовскита ABO3 ( BaTiO3, SrTiO3, BiTiO 3 и др.), диполь образуется за счет смещения в элементарной ячейке атомов одного сорта, имеющих два устойчивых положения в решетке, относительно атомов другого сорта (рисунок 1Рисунок 1).

Так, в титанате бария положительно заряженный ион Ti имеет два равноценных устойчивых положения в решетке относительно ионов бария и кислорода. Таким образом, образуется элементарный диполь, ориентированный в том или ином направлении. В случае спонтанной поляризации диполи во всех ячейках имеют случайное направление. Если же поместить СЭ в электрическое поле, то большинство диполей выстраиваются преимущественно в одном направлении, сохраняя его после снятия внешнего электрического поля.

Стоит отметить, что пьезоэлектричество является необходимым, но не достаточным условием сегнетоэлектричества [7]. Для проявления СЭ свойств материалом на симметрию его кристаллической решетки накладываются более строгие условия. Промежуточным классом материалов между пьезоэлектриками и СЭ являются пироэлектрики, в которых наблюдается зависимость дипольного электрического момента от температуры. Диаграмма взаимных свойств пьезо-, пиро- и сегнетоэлектриков представлена на рисунке 2.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка Рисунок 2 – Диаграмма взаимных свойств титаната бария. пьезо-, пиро- и сегнетоэлектриков Использование СЭ в качестве функционального материала для запоминающих устройств началось в конце 80-х годов, когда достаточно активно стала развиваться концепция FeRAM.

Ячейка FeRAM очень близка и похожа по структуре на традиционную DRAM, но использующая СЭ слой вместо диэлектрического. Впервые работающий образец FeRAM был получен еще в 1992 году в лабораториях компании Symetrix. С тех пор, эта область вызывала пристальный интерес, как со стороны академического, так и прикладного научного сообществ. Достаточно сказать, что с 1992 по 2002 год по этой теме было выдано свыше 360 патентов, а с 1999 года стали выпускаться первые чипы FeRAM.

Основным преимуществом FeRAM перед DRAM является ее энергонезависимость. Из-за разрядки конденсаторов, хранящих бит информации, в DRAM для предотвращения потери информации приходится непрерывно производить процесс чтения и перезаписи информации с периодом ~ 10 мс, называемый регенерацией памяти, на что тратиться колоссальная часть потребляемой энергии. Запись информации в ячейку FeRAM осуществляется путем поляризации СЭ слоя конденсатора, противоположные направления вектора поляризации соответствуют логической «1» и «0». При чтении из FeRAM на конденсатор подается «0». Если ячейка уже содержит «0», то на линиях вывода ничего не произойдет. Если ячейка содержит «1», то переориентация атомов в прослойке приведет к короткому импульсу тока на выходе. Наличие этого импульса будет означать, что ячейка хранит «1». Так как процесс перезаписывает содержимое ячейки, то чтение из FeRAM — деструктивный процесс, и требует регенерации данных в ячейке в случае их изменения в ходе считывания.

Единственным типом энергонезависимой памяти, не требующей регенерации, в настоящее время является MRAM. Хранение информации в данном типе памяти осуществляется за счет эффекта ТМС, зависимости туннельного тока, протекающего между ФМ слоями через диэлектрический барьер, от взаимной ориентации намагниченностей в них. Однако миниатюризация данного типа памяти в настоящее время сильно затруднена из-за необходимости использования магнитных полей или больших плотностей тока для перемагничивания ФМ электродов.

Другим же подходом к реализации ячейки энергонезависимой памяти, способным преодолеть все эти трудности, является концепция СТП, использующая квантовый эффект туннелирования электронов через тонкий слой изолятора. Основная идея СТП была предложена еще в 1971 году [8].

Ввиду возможности СЭ иметь два взаимно противоположных направления поляризации, величина и форма потенциального барьера для туннелирующих электронов будет зависеть от направления вектора поляризации (рисунок 3), и, как следствие, вероятность туннелирования электронов будет также различной.

Рисунок 3 – Зависимость формы потенциального барьера от направления поляризации сегнетоэлектрика.

На рисунке 4 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) СТП в зависимости от знака поляризации СЭ барьера (вектор поляризации перпендикулярен плоскости образца). Таким образом, изменение поляризации СЭ внешним электрическим полем влияет на туннельную проводимость всей структуры [9], которая меняется в случае, если величина приложенного электрического поля равна коэрцитивной силе СЭ и направлена в противоположную к поляризации сторону.

Материалы, используемые при создании подобных структур, должны иметь близкие параметры решеток для возможности осуществления эпитаксиального роста, так как СЭ слой проявляет свои функциональные свойства в сверхтонких слоях только при условии структурной ориентированности и возникающих при гетероэпитаксиальном росте механических напряжениях.

Рисунок 4 – Вольт-амперные характеристики сегнетоэлектрического туннельного перехода при двух противоположных направлениях поляризации.

В качестве кандидата на роль туннельного СЭ слоя для структур М-СЭ-М в СТП рассматривается титанат бария ( BaTiO3 ) [10]. Помимо хорошо изученных СЭ свойств этого материала, параметры его кристаллической рештки хорошо согласуются с монокристаллическими подложками ( MgO, SrTiO3 ), а также с некоторыми из металлических электродов, в частности, Pt [11], Fe [12], La 0.67Sr0.33 MnO3 ( LSMO ) [13], LaNiO3 [14], SrRuO3 [15].

Выбор оксидов в качестве нижнего контакта обусловлен тем, что рост СЭ на его поверхности, как правило, осуществляется в атмосфере кислорода, либо c последующим отжигом в кислороде, что в случае использования чистого металла приводит к его окислению на поверхности и срыву эпитаксиального роста.

Необходимо отметить, что из-за высокой проводимости сверхтонких пленок BaTiO3 многие стандартные макроскопические методы неприменимы для изучения их СЭ свойств. С этой точки зрения, актуальным является использование методов АСМ, когда токопроводящий зонд обеспечивает электрический контакт нанометровой площади к поверхности пленки, что позволяет снизить влияние токов утечек через сверхтонкий СЭ слой и обеспечить регистрацию его поляризации.

Таким образом, целью дипломной работы являлось изучение функциональных свойств сверхтонких слоев бислойных структур М-СЭ на монокристаллических подложках.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДИКИ

Задачи, поставленные в рамках настоящего дипломного проекта, решались с использованием большого числа экспериментальных методик, позволяющих синтезировать тонкопленочные образцы высокого качества и всесторонне анализировать их свойства. Ниже приведены краткие описания основных методов, использованные в рамках дипломного проекта.

3.1. Импульсное лазерное осаждение

Метод ИЛО основан на быстром испарении (абляции) материала твердотельной мишени сфокусированным лазерным излучением большой мощности ( P ~ 5 108 Вт см 2 ), и конденсации разлетающихся частиц плазмы на подложке. Упрощенная схема метода импульсного лазерного осаждения представлена на рисунке 5.

–  –  –

Рисунок 5 – Упрощенная схема установки импульсного лазерного осаждения 1,06 мкм ) YAG:Nd лазера, работающего в режиме модуляции Излучение ИК диапазона ( добротности, проходит через окно вакуумной камеры и фокусируется на поверхности мишени, испаряя ее. Наиболее хорошо испаряются металлы, т.к. их коэффициент поглощения излучения в данных диапазонах длин волн наиболее высок. Поглощение происходит в основном на электронах проводимости. За время порядка 10-12 с возбужднные электроны релаксируют, передавая свою энергию фононам, что приводит к быстрому разогреву материала вблизи поверхности мишени.

Существует пороговая плотность мощности лазерного излучения достаточная для начала испарения материала с поверхности мишени. Е значение зависит от материала и морфологии мишени, а также длины волны и длительности импульса лазерного излучения. Величина пороговой плотности мощности составляет как правило ~ 107 Вт см 2. Повышение пороговой плотности мощности приводит к более интенсивному испарению мишени, а при достижении значений ~ 108 109 Вт см 2 – к плазмообразованию. Используемый в установке YAG:Nd лазер с 1,06 мкм и выходной энергией излучения E = 0,3 Дж, позволяет длиной волны излучения эффективно испарять любые металлы, элементарные полупроводники (Si, Ge ), а также (менее эффективно) керамические мишени некоторых диэлектриков.

Использование оптической схемы резонатора, вращающей пятно генерации на 900 при каждом проходе резонатора, обеспечивает отсутствие горячих точек в лазерном пятне и, благодаря этому, однородность параметров испарения на мишени. Однородное распределение плотности энергии по пятну позволяет также снизить образование капель в испаренном потоке. Другим критическим параметром для исключения или минимизации капель в эмитируемом потоке является подбор оптимальной для каждого материала плотности мощности лазерного излучения на мишени, который осуществляется путем варьирования фокусного расстояния линзы, закрепленной в автоматической системе фокусировки (пределы изменения плотности мощности составляют от до 2 109 Вт см 2 ). При этом предусмотрена возможность 4 108 Вт см 2 использования различной плотности мощности на мишенях различных материалов.

Автоматическая оптическая система сканирования лазерного луча, установленная вне вакуумной камеры, в свою очередь, обеспечивает равномерное испарение по всей заданной площади мишени.

Высокая воспроизводимость количества выносимой массы материала от импульса к импульсу и программный контроль числа, последовательности импульсов по каждой мишени и плотности мощности лазерного излучения позволяет растить слои со строго заданным элементным составом, и, в том числе, формировать стехиометрические соединения при осаждении сплавных пленок из элементарных мишеней.

Высокий уровень вакуума (до P ~ 10 7 Па ) в рабочем объеме камеры достигается благодаря использованию двухступенчатой системы откачки с применением турбомолекулярного и ионного насосов, а также благодаря наличию предварительной камеры, смежной с основной камерой роста и имеющей возможность герметично отсекаться от нее, что позволяет загружать новые мишени и манипулировать образцами в процессе роста, непрерывно поддерживая уровень вакуума в рабочей камере не ниже P ~ 10 4 Па.

Кроме того, в установке реализована возможность нагрева подложки до температур T ~ 8000 C непосредственно во время напыления материала мишени, что позволяет создавать качественные эпитаксиальные структуры. Возможность напуска реактивных газов и регулировки их относительного давления в камере позволяет осаждать материал в атмосфере различных газов, а также производить отжиг образцов не только в условиях сверхвысокого вакуума, но и в другой среде. Такие условия часто бывают критически необходимы при росте кислородсодержащих тонких пленок, наличие или отсутствие вакансий кислорода в которых может играть существенную роль.

Таким образом, к преимуществам ИЛО можно отнести:

возможность испарения любых материалов возможность абляции материала металлической или полупроводниковой мишени в атмосфере реактивных газов (например, кислорода) в очень широком диапазоне давлений, при этом возможен рост соответствующих оксидов возможность прецизионного контроля толщины осаждаемого слоя (с точностью не менее 0,01 монослоя) возможность осаждения вещества с очень большой мгновенной скоростью (до 1022 см с 1) возможность осаждения нескольких материалов одновременно с возможностью управлять стехиометрией получаемой плнки возможность использования специально синтезированных стехиометрических мишеней (например, сплавных или спечнных), позволяющих, при правильном подборе параметров осаждения, сформировать стехиометрическую тонкую плнку испаряемого материала дешевизна оборудования (в простейшем случае требуется только лазер и вакуумная камера).

К недостаткам ИЛО относятся:

возможность наличия в плнке капель и дефектов, технологическая трудность нанесения больших по площади однородных плнок.

3.2. Обратное резерфордовское рассеяние.

Анализ состава, толщин и первичный анализ качества эпитаксии исследуемых тонкопленочных образцов производился методом резерфордовского обратного рассеяния (РОР). Метод основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных ( E ~1,5-2 МэВ ) ионов на большие углы при их взаимодействии с атомами вещества. Этот метод традиционно используется для определения состава мишеней путем анализа энергетических спектров обратно рассеянных частиц.

–  –  –

На рисунке 6 представлена упрощенная схема установки РОР. Пучок ускоренных заряженных частиц (1) массой M 1, порядковым номером в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева Z1 и энергией E0 падает на поверхность объекта исследования (2), находящегося в вакууме, состоящего из элементов, масса и порядковый номер атомов которых M 2 и Z 2. Часть ионов в пучке рассеивается на атомах мишени на большие углы (5), что приводит к их выходу из мишени. Регистрируется количество ионов, покинувших мишень в пределах телесного угла d (6), определяемого входным отверстием детектора (4), а также их энергия.

Формируемый спектр РОР имеет вид зависимости количества обратно рассеянных ионов в зависимости от их энергии (рисунок 7). Чем более высока масса рассеивающего атома мишени и чем ближе к поверхности образца он находится, тем более высокоэнергетичной области спектра будет соответствовать рассеянные на нем ионы.

Энергия рассеянного иона KM 2 E0 определяется начальной энергией E0 и кинематическим фактором рассеяния KM 2, который зависит от соотношения масс M 1 и M 2 и от угла рассеяния

–  –  –

Классическая формула Резерфорда для дифференциального сечения рассеяния на кулоновском потенциале в лабораторной системе координат хорошо описывает обратное рассеяние анализирующих ионов на покоящихся атомах мишени:

–  –  –

где e – заряд электрона, E – энергия налетающей частицы. Как видно из формулы, сечение рассеяния зависит только от полярного угла рассеяния и не зависит от азимутального угла. Однако выход рассеянных ионов из тврдотельной мишени имеет более сложную угловую зависимость, в которой необходимо учитывать не только угол рассеяния, но и ориентацию поверхности образца относительно падающего пучка.

Поскольку сечение определяется зарядом ядра-мишени и ядра-иона для определения стехиометрического состава методом РОР не требуется использование эталонных образцов, поскольку сечения рассеяния для различных элементов хорошо известны. Поэтому РОР считается абсолютным методом.

Анализ кристаллической структуры образцов в данном методе возможен, если проводить измерения в режиме каналирования ионов.

Если направление падающего пучка ионов совпадает с кристаллографическими направлениями в исследуемом образце, то часть падающих ионов будут направляться потенциальным полем цепочки атомов в кристалле, в результате чего они не могут близко подойти к атомам цепочки и, соответственно, не рассеиваются на них. Как результат, выход рассеянных частиц в режиме каналирования снижается. Такое уменьшение выхода обратного рассеяния отражает степень совершенства кристаллической структуры мишени, для чего вводят величину нормированный минимальный выход, который определяется как min

–  –  –

рассеяния ( Z1, Z 2 или E ). Расстояние наибольшего сближения, которое сильно влияет на величину, преимущественно определяется тепловыми колебаниями атомов в кристалле.

min Таким образом, если исследуемый образец представляет собой многослойную тонкопленочную эпитаксиальную структуру, выращенную на монокристаллической подложке, то качество эпитаксии в образце можно оценить методом РОР в режиме каналирования ионов. В данной работе в режиме каналирования исследовались эпитаксиальные структуры MgO(100)/Fe/BaTiO3 и MgO(100)/Pt/BaTiO3. Информация же о толщинах и элементном составе образцов извлекалась из спектров РОР стандартной геометрии.

3.3. Атомно-силовая микроскопия.

Для изучения элементного состава можно использовать различные методики АСМ, как например ММС, которая позволяет получить карту распределения жесткости по поверхности образца, МЗК, которая позволяет получить карту распределения поверхностного потенциала образца, МСР, которая позволяет получить карту распределения локального сопротивления по поверхности образца. Главный недостаток всех этих методов заключается в том, что они не могут дать информацию о СЭ свойствах исследуемой пленки. Поэтому был выбран другой способ решения данной задачи. Фрагмент исследуемой области образца сканировался токопроводящим АСМ зондом, к которому было приложено постоянное напряжение положительной или отрицательной полярности относительно нижнего подслоя железа (платины). Последующий анализ свойств пленки осуществлялся с помощью МЗК и МПО.

В зависимости от свойств материала пленки возможны различные механизмы изменения поверхностного потенциала:

Если поверхность хорошо проводит ток, поверхностный потенциал не изменится.

Если материал пленки диэлектрик, то поверхность зарядится положительно или отрицательно в зависимости от полярности приложенного напряжения, что отразится на распределении поверхностного потенциала. Локальная зарядка поверхности диэлектрика не приведет к получению контраста в МПО.

Если материал пленки СЭ, то в результате поляризации произойдет перераспределение зарядов внутри пленки, что также приведет к локальному изменению поверхностного потенциала. При этом локальная поляризация СЭ приведет к получению контраста в МПО.

Для удобства дальнейшего изложения, назовем процедуру сканирования области с постоянным напряжением поляризацией. Стандартный режим поляризации был следующим: размер области 1x1мкм, прикладываемое напряжение 3 В, скорость поляризации 1мкм c. Изменения в поверхностном потенциале поляризованных областей измерялись с помощью МЗК, а непосредственное изучение СЭ свойств производилось с использованием МПО.

–  –  –

нулю путем приложения постоянного напряжения между зондом и образцом. Карта распределения данного напряжения по поверхности представляет собой карту распределения поверхностного потенциала образца.

МЗК в данной работе использовался только для определения поляризации исследуемой пленки, так как поверхностный потенциал поляризованных областей будет больше или меньше значения поверхностного потенциала неполяризованных областей, в зависимости от полярности напряжения, которым производилась поляризация.

3.3.2. Микроскопия пьезоотклика

Основной идей МПО является локальное воздействие электрическим полем на пьезоэлектрический образец при непосредственном контакте токопроводящего зонда с поверхностью образца. При этом в силу обратного пьезоэлектрического эффекта, линейно связывающего приложенное напряжение и механические деформации внутри пьезоэлектрика, изменяются геометрические размеры СЭ.

Определение доменной структуры реализуется путем подвода зонда в контакт с поверхностью и приложением переменного напряжения между зондом и образцом без постоянной компоненты (в нашем эксперименте). Частота переменного напряжения равна контактной резонансной частоте системы, порядка 500 700 кГц (зонд-образец). Во время проведения измерений регистрируются нормальные колебания кантилевера (вдоль нормали к поверхности образца).

Электрическое поле в образце заставляет домены с поляризацией параллельной полю растягиваться, а с противоположной – сжиматься (рисунок 8). Если вектор поляризации перпендикулярен электрическому полю, пьезоэлектрических деформаций вдоль направления поля не наблюдается, зато возникают деформации сдвига, приводящие к перемещению поверхности образца вдоль направления поляризации. Соответственно в случае переменного электрического поля сдвиг фаз между колебаниями электрического поля и кантилевера будет зависеть от направления поляризации домена. В нашем случае (переменное напряжение подается на зонд, и образец заземлен) для домена направленного вниз (поляризация направлена от зонда к нижнему электроду) сдвиг фаз между электрическим полем и колебаниями кантилевера будет равен 00. Для домена, направленного вверх, это значение будет равно 1800.

Измерения производились с помощью микроскопа Ntegra (NT-MDT, Зеленоград). Омичность контакта к проводящему слою железа (платины) обеспечивалась путем непосредственного подвода электрического контакта к пленке BaTiO3, так как сопротивление верхних слоев образца составляло порядка нескольких сотен Ом (измерено мультиметром), в то время как сопротивление контакта зонд-образец составляет порядка МОм.

–  –  –

3.3.3. Микроскопия сопротивления растекания Для изучения зависимости проводимости сверхтонкой СЭ пленки от направления поляризации в ней использовалась МСР. При проведении измерений с помощью МСР проводящий кантилевер сканирует поверхность образца, к которому приложено постоянное напряжение. Величину данного напряжения не изменяют во время сканирования для корректной интерпретации полученных данных. Во время измерений методом МСР регистрируется ток, протекающий через исследуемый образец. Соответственно чем больше величина данного тока на определенной области, тем больше проводимость этой области.

–  –  –

4.1. Выбор материалов для структур на основе пленок BaTiO 3 Одним из наиболее широко исследуемых СЭ материалов в настоящее время является титанат бария BaTiO3, ввиду простоты его химической формулы, достаточно высокой температуры Кюри и величины максимальной спонтанной поляризации (таблица 1). Предметом интереса данной работы так же является титанат бария. Наилучшие свои функциональные свойства в тонких пленках этот материал показывает на эпитаксиально выращенных образцах [], в связи с чем актуальным становится вопрос выбора подложек для роста структур металл/сегнетоэлектрик/металл, а также материалов нижнего металлического контакта.

–  –  –

Для материалов, используемых в качестве подложки, основным требованием является близость их параметров решетки к параметрам решетки титаната бария ( a 4,036 А ) для 3,392 A, c реализации возможности эпитаксиального роста. В таблице 2 приведены параметры решеток для некоторых материалов, подходящих под это требование.

В качестве подложек для роста функциональных структур в рамках настоящей работы были выбраны монокристаллические подложки MgO 100, являющиеся легкодоступными и хорошо удовлетворяющие необходимым условиям. Кристаллическая решетка оксида магния представляет собой простую кубическую ячейку с параметром решетки a.

4, 213 Для достижения эпитаксиальности всей структуры, рост пленок осуществляется при повышенных температурах (для BaTiO3, как правило, 400 7000 C ). При этом происходит десорбция кислорода из выращиваемой пленки, что, в свою очередь, приводит к ухудшению СЭ свойств материала, а также к увеличению токов утечек через пленку. Чтобы предотвратить этот процесс, рост СЭ пленок производится в атмосфере кислорода. В связи с этим в качестве нижнего контакта используют традиционно оксидные проводящие материалы: SrRuO3, La 0.66 Sr0.33 MnO3, SrTiO3 :Nb. Однако в данной работе было решено использовать в качестве нижнего контакта металлы Fe и Pt. В случае с железом рост пленки BaTiO3 производился в условиях сверхвысокого вакуума ( P ~ 10 6 Па ), а в случае с платиной – в атмосфере кислорода давлением P ~ 10 1 Па с последующим отжигом при давлении кислорода P ~ 1Па. Для обеих комбинаций материалов были проведены исследования границы раздела металл/сегнетоэлектрик на предмет наличия оксидной фазы металла, которые показали, что граница раздела в результате является химически резкой. Кроме того, Fe является ФМ металлом, что делает интересным изучение структур ФМ/СЭ с точки зрения приложений спинтроники.

–  –  –

импульсного лазерного осаждения с использованием YAG:Nd лазера ( =1,06 мкм ) в режиме модуляции добротности с длительностью импульса нс и плотностью мощности на аблируемой мишени P ~ 108 Вт см 2. Рост производился в условиях сверхвысокого вакуума (остаточный вакуум P ~ 10 6 Па ), при температуре T 2500 C и частоте повторения импульсов 45 Гц для пленок металла ( Fe и Pt ). Пленки титаната бария выращивались при T 4500 C и f частоте повторения импульсов f 5 Гц. Давление в камере для случая роста на пленках Fe и Pt были различны: BaTiO3 на железе растился в условия сверхвысокого вакуума P ~ 10 6 Па, а на платине в атмосфере кислорода давлением P ~ 10 1 Па с последующим отжигом в кислороде P ~ 1Па при температуре T 4500 C. Предварительная очистка поверхности MgO производилась в ультразвуковой ванне в растворе спирта и ацетона с последующим отжигом в вакууме при температуре 6000 C. В таблице 3 представлено описание образцов, P ~ 10 5 Па T исследуемых в данной работе.

Методом РОР, в том числе в режиме каналирования ионов, образцы были первично охарактеризованы с точки зрения толщин и упорядоченности кристаллической структуры (рисунок 9.а). Спектры РОР были получены в НИИЯФе МГУ Как видно из каналированного спектра, пленка Fe на подложке MgO(100) при реализованных условиях растет эпитаксиально.

Что касается структурных свойств слоя BaTiO3, выращенного на поверхности железа, по спектрам каналирования эпитаксии не наблюдается. Кроме того, нерезкие задние фронты пиков Ba и Ti свидетельствует о большом количестве капель титаната бария на поверхности образца, которые являются сопутствующим недостатком метода импульсного лазерного осаждения.

В то же время на структуре MgO 100 /Pt/BaTiO3 наблюдается хорошая эпитаксия как пленки

–  –  –

5. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

5.1. Исследование сегнетоэлектрических свойств сверхтонкой пленки BaTiO 3, напыленной методом импульсного лазерного осаждения 5.1.1. Постановка проблемы. Задачи исследования Зависимость туннельного тока от направления поляризации в СЭ пленке, эффект, лежащий в основе нового типа энергонезависимой памяти с использованием СТП, может проявляться только в сверхтонких пленках ввиду экспоненциальной зависимости величины туннельного тока от толщины потенциального барьера. Однако, при напылении сверхтонкой пленки толщиной порядка 1 нм, что представляет собой 2-3 монослоя, возникает вопрос о сплошности данной пленки, а также об ее СЭ свойствах. Как известно, существует критическая толщина СЭ пленки, зависящая от условий роста, меньше которой материал перестает проявлять свои функциональные свойства.

В то же время, если выращенная СЭ пленка не является сплошной, то использование метода ИЛО недопустимо для последующего технологического производства сверхтонких СЭ пленок для нового типа энергонезависимой памяти на основе СТП.

В данной ситуации возможны два случая:

На поверхности находится несплошная пленка BaTiO3, а также пленка оксид железа(III)

–  –  –

На поверхности находится сплошная пленка BaTiO3.

5.1.2. Экспериментальные результаты исследования сплошности пленок BaTiO 3.

Эксперименты выполнялись с использованием зондов Veeco DDESP-FM-10 с алмазоподобным проводящим покрытием в условиях окружающей среды на образце MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм).

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 10.Рисунок 10 После проведения поляризации фрагмента исследуемой пленки BaTiO3 в стандартном режиме были произведены измерения МЗК. Из полученной карты распределения потенциала на рисунке 12 видно, что область, поляризованная отрицательным напряжением, имеет меньшее значение поверхностного потенциал по сравнению с областью, заряженной положительным напряжением, что свидетельствует об успешной поляризации интересующих фрагментов пленки.

Стоит также отметить однородность поляризованных областей.

–  –  –

Карта распределения амплитуды нормальных колебаний кантилевера на рисунке 13, полученная МПО на той же самой области, демонстрирует отклик поляризованных областей вдоль нормали к поверхности образца на прикладываемое напряжение, что свидетельствует о наличии на данных областях сверхтонкой СЭ пленки BaTiO3. Тот факт, что она является сплошной, было установлено из множества успешных экспериментов с применением МПО на данном образце.

Также можно отметить, что поляризация никоим образом не модифицирует рельеф исследуемого фрагмента образца (рисунок 11), что свидетельствует об отсутствии электрохимических процессов на поверхности пленки при проведении поляризации.

Таким образом, было установлено, что сверхтонкая пленка в структуре BaTiO3 MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) является сплошной и обладает СЭ свойствами.

Сплошность пленки BaTiO3, выращенной методом ИЛО, впоследствии была подтверждена результатами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рисунок 14), которые были получены в ИОФАН.

–  –  –

Рисунок 12 – Карта распределения повер- Рисунок 13 – Карта распределения амплитуды хностного потенциала после поляризации нормальных колебаний кантилевера MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) Рисунок 14 – Изображение границы раздела Fe-BaTiO3, полученное ПЭМ 5.1.3. Экспериментальные результаты исследования сегнетоэлектрических свойств сверхтонких пленок BaTiO 3.

СЭ свойства сверхтонких пленок BaTiO3 исследовались на всех образцах. Для этого поляризовались 2 соседние области в стандартном режиме напряжениями противоположных полярностей с последующими измерениями методом МПО. В результате проведения данных экспериментов было установлено, что все образцы проявляют СЭ свойства. На рисунке 15 представлены типичные карты распределения амплитуды и фазы нормальных колебаний кантилевера для бислоев Fe/BaTiO 3 и Pt/BaTiO3. Стоит отметить, что сдвиг фаз нормальных колебаний кантилевера на образце с платиновым подслоем намного больше, чем в случае железного подслоя, 1000 против 4 0. Данный факт подтверждает вывод о хорошей эпитаксии структуры MgO/Pt/BaTiO3, сделанный на основе результатов обратного резерфордовского рассеяния. В то же время такой маленький сдвиг фаз ( 4 0 ) нормальных колебаний кантилевера на структуре MgO/Fe/BaTiO 3, наоборот, свидетельствует о плохой эпитаксии СЭ пленки, однако у нее сохраняется приоритетное направление роста, вдоль которого проявляются СЭ свойства.

–  –  –

5.2. Изучение стабильности поляризации сверхтонкой сегнетоэлектрической пленки BaTiO 3 и способности к переполяризации 5.2.1. Постановка проблемы. Задачи исследования Использование СЭ пленки BaTiO3 в качестве функционального материала для нового типа энергонезависимой памяти накладывает на ее свойства определенные ограничения. Длительное хранение поляризации и высокая способность к переполяризации являются необходимыми свойствами СЭ пленок для применения их в запоминающих устройствах. В данной части работы исследовались оба этих свойства.

5.2.2. Экспериментальные результаты исследования способности к переполяризации сверхтонкой сегнетоэлектрической пленки BaTiO 3 Эксперименты по изучению способности к переполяризации проводились с использованием зондов с алмазоподобным проводящим покрытием на образце Veeco DDESP-FM-10 MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) в условиях окружающей среды.

Для изучения способности к переполяризации СЭ пленки поляризовалась область 2x2 мкм напряжением 3 В со скоростью 2 мкм с. Затем в центре данной квадратной области переполяризовывался фрагмент размером 1x1мкм напряжением 3 В со скоростью 1, 4 мкм с. Из сдвига фаз поляризованных областей на карте распределения фазы нормальных колебаний кантилевера (рисунок 16), полученная МПО, можно сделать вывод, что переполяризация прошла успешно и в то же время равномерно, и были созданы 2 области с противоположно направленными векторами поляризации в них. В свою очередь на карте распределения поверхностного потенциала (рисунок 17) отчетливо видны поляризованные области, что подтверждает ранее сделанный вывод.

Таким образом, установлено, что сверхтонкая СЭ пленка образца MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) обладает высокой способностью к переполяризации.

–  –  –

5.2.3. Экспериментальные результаты исследования стабильности поляризации сверхтонкой сегнетоэлектрической пленки BaTiO 3.

Исследование стабильности поляризации пленки BaTiO3 проводились с использованием зондов Veeco SCM-PIC с платино-иридиевым (PtIr) проводящим покрытием на образце MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (2 нм) в условиях окружающей среды.

С этой целью производилась поляризация 2 ух областей в стандартном режиме напряжениями противоположных полярностей с последующим отслеживанием эволюции поляризации во времени с помощью МЗК. В конченом счете поляризовался прямоугольник 2х1мкм, где область, заряженная положительным напряжением, находилась слева, а отрицательным – справа.

Эволюция поляризации представлена на рисунке 18. Из данных карт распределения поверхностного потенциала видно, что с течением времени пленка деполяризуется, однако поляризованные области все еще отчетливо видны спустя 16 часов.

Таким образом, было установлено, что сверхтонкая СЭ пленка образца MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (7 нм) сохраняет поляризацию в течение не менее 16 часов

–  –  –

5.3. Оценка значения пьезомодуля для сверхтонких сегнетоэлектрических пленок BaTiO 3 5.3.1. Постановка проблемы. Задачи исследования.

Основной физической величиной, характеризующей пьезоэлектрический материал, является пьезоэлектрический модуль. Поэтому количественное определение данного параметра необходимо при изучении свойств сверхтонких СЭ пленок, что может быть полезным не только в качестве параметра для сравнения результатов различных исследований, но также представлять интерес для разнообразных областей науки и техники.

5.3.2. Описание метода измерения эффективного пьезомодуля

–  –  –

где S i – относительное удлинение вдоль оси i, d ij – пьезоэлектрический тензор, E j – величина напряженности электрического поля вдоль оси j.

Изменение толщины пленки BaTiO3 за счет обратного пьезоэлектрического эффекта в однородном электрическом поле, направленном по нормали к поверхности образца, определяется только элементом тензора пьезоэлектрических констант. Однако, в условиях АСМ d 33 эксперимента, когда площадь контактной площадки зонда с поверхностью СЭ пленки составляет 1нм2 и менее, модель плоского конденсатора для определения пьезомодуля d 33 некорректна. В

–  –  –

регистрирующей системы нА нм, которую можно определить по наклону кривой подвода в контактном режиме в области упругой деформации кантилевера.

Для проведения более точных измерений значения пьезомодуля необходимо производить калибровку синхронного детектора для определения реальной величины усиления сигнала.

5.3.3. Калибровка синхронного детектора

а) Измерение передаточной функции синусоидального сигнала синхронного детектора

1) С помощью внешнего генератора напряжения подать синусоидальный сигнал на контроллер АСМ вместо сигнала DFL : U U 0 sin( t )

–  –  –

б) Измерение передаточной функции квазистатического сигнала регистрирующей системы фотодетектора

1) С помощью внешнего генератора напряжения подать постоянное напряжение U bv на контроллер АСМ вместо сигнала DFL.

2) Аппроксимировать прямой линией зависимость сигнала DFL, измеренного внутренним осциллографом, от величины постоянного напряжения U bv,

–  –  –

где A – абсолютная погрешность измерения амплитуды, A – среднее значение амплитуды, полученное МПО.

Поскольку при типичных значениях прикладываемого напряжения U 10 В погрешность U составляет около 4%, то основной вклад в погрешность измерений эффективного пьезомодуля вносит A A, которая, в свою очередь, определяется погрешностями измерения и A.

Погрешность измерения определяется при линейной аппроксимации кривой подвода в контактном режиме в области упругой деформации кантилевера и не превышает 2%. Погрешность измерения величины A складывается из A, определяемой собственным шумом синхронного детектора в режиме измерения амплитуды, и A, характеризующей разброс амплитуды в

–  –  –

значительной шероховатости поверхности BaTiO3 основной вклад в погрешность измерения амплитуды вносит именно A, обусловленная флуктуациями площади контакта зонд-образец и неоднородностями распределения электрического поля в объеме СЭ пленки. В качестве оценки величины можно использовать отношение ширины пика на полувысоте гистограммы AA распределения амплитуды колебаний (по области измерения) к величине амплитуды, соответствующей максимуму пика.

–  –  –

Была произведена калибровка синхронного детектора согласно методике описанной в пункте 5.3.3 при значении коэффициента усиления синхронного детектора равного 1000. На рисунке 19Рисунок 19 и рисунке 20 представлены зависимости сигнала Mag от амплитуды U 0 синусоидального сигнала, а также сигнала DFL от величины постоянного напряжения U bv соответственно.

В результате аппроксимации зависимостей, полученных выше, были подсчитаны коэффициент для коэффициента усиления синхронного детектора равного 1000, а также (Gain) коэффициент 0, 005нА мВ. Следовательно, коэффициент усиления 2, 28нА мВ, : (1000) амплитуды переменного сигнала K 456. Для оценки значения пьезомодуля СЭ пленки на исследуемом фрагменте поляризовались 2 соседние области в стандартном режиме напряжениями противоположных полярностей, а затем производились измерения с помощью МПО. При измерениях образца MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (3 нм) использовался зонд NSG03 (NT-MDT) с проводящим нитрид титановым (TiN) покрытием. После проведения эксперимента, описанного выше, на структуре MgO/Fe(10 нм)/BaTiO3 (3 нм) были получены карты распределения амплитуды (рисунок 15.а) и фазы нормальных колебаний кантилевера (рисунок 15.б). Используя кривую подвода кантилевера NSG03 в контактном режиме (рисунок 21), а также гистограмму, построенную по поляризованной области карты распределения амплитуды нормальных колебаний кантилевера (рисунок 22), было подсчитано значение пьезомодуля для данного образца по формуле (13), а также погрешность ее определения (17) d33 17 4 пм В. Результаты вычислений * значения пьезомодуля для других сверхтонких СЭ пленок BaTiO3, измеренного с использованием вышеописанной методики, приведены в таблице 4. Стоит отметить, что значения эффективного пьезомодуля для пленок BaTiO3 различной толщины, выращенных на Fe подслое, совпадают в пределах погрешности и хорошо согласуются с результатами, полученными в аналогичных работах, в которых исследовались пленки BaTiO3, выращенные на слое La 0.67 Sr0.33 MnO3.

Таблица 4. Результаты измерения эффективного пьезомодуля для различных пленок BaTiO3

–  –  –

0,10 0,05 0,00

-0,05

–  –  –

-0,10

-0,15 28 -0,20

–  –  –

При поляризации СЭ в структуре М-СЭ-М, где металлы обладают различными свойствами (длина экранирования, работа выхода и т.д.), изменяется форма потенциального барьера, который должны преодолеть туннелирующие электроны. При одном из направлений поляризации наблюдается более высокая проводимость диэлектрического слоя по сравнению с другим.

Отношение проводимостей для двух противоположных направлений поляризации может достигать 10 000. Именно этот эффект лежит в основе новой энергонезависимой памяти на основе СТП. Исследование данного явления проводится в данной части работы.

5.4.2. Экспериментальные результаты исследования зависимости туннельного тока через сверхтонкую сегнетоэлектрическую пленку BaTiO 3 от направления

–  –  –

Ввиду слабой износостойкости проводящего покрытия серийных кантилеверов при измерениях СЭ сверхтонких пленок BaTiO3 производилась особая подготовка зондов для измерения туннельных токов, что обеспечивало более стабильный электрический контакт к поверхности образца. Для этого уже у использованного зонда срезался кончик фокусированным ионным пучком, оставляя площадку со стороной 0,5 мкм, а затем производилось напыление проводящего материала на острие зонда с помощью химического осаждения из газовой среды (chemical vapor deposition), стимулированного ионным пучком (рисунок 23). В качестве проводящего материала был выбран инертный металл Pt. На рисунке 24 представлено РЭМ-изображение серийного зонда после подготовки его к измерению токовых характеристик.

Исследование зависимости туннельного тока через сверхтонкую СЭ пленку BaTiO3 от направления поляризации в ней выполнялось на структуре MgO/Pt(12 нм)/BaTiO3 (5 нм) в низком вакууме ( P ~ 50 Па ) с использованием зонда марки DDESP-FM, подготовленного для измерений токовых характеристик,.

Перед проведением экспериментов по измерению токовых характеристик на сверхтонкой СЭ пленке измерялась вольт-амперная характеристика (ВАХ) подготовленного зонда на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ), поверхность которого предварительно очищалась с помощью скотча. Данная ВАХ (рисунок 25Рисунок 25) демонстрирует омическую проводимость электрического контакта зонд-ВОПГ, сопротивление которого равно 5 МОм.

Рисунок 23 – Схематический вид процесса Рисунок 24 – РЭМ-изображение серийного химического осаждения из газовой среды, зонда после подготовки его к измерению стимулированного ионным пучком токовых характеристик.

–  –  –

Для исследования зависимости туннельного тока через сверхтонкую СЭ пленку BaTiO3 от направления поляризации в ней производилась поляризация 2 ух соседних областей размером 1x1мкм со скоростью 1, 4 мкм с и напряжением 3,5 В противоположных полярностей. После проведения измерений в режиме МСР со скоростью 10 мкм с и напряжением В была получена карта распределения тока растекания СЭ пленки BaTiO3 (рисунок 26), свидетельствующая о более высокой проводимости состояния с вектором поляризации, направленным вниз (от зонда к подложке). Данная карта распределения тока растекания СЭ пленки BaTiO3 повторялась в течение 6 последовательных циклов измерения, что свидетельствует о хорошей стабильности поляризации в структуре MgO/Pt(12 нм)/BaTiO3 (5 нм).

BaTiO3 Последующее ухудшение измеряемой проводимости области с вектором поляризации направленным вниз, скорее всего, вызвано деградацией проводящего покрытия подготовленного зонда, а не релаксационными процессами в СЭ пленке, деполяризующими ее. Стоит отметить, что данный эффект наблюдался и на структуре MgO/Fe/BaTiO 3 однако он был намного слабее, чем в случае MgO/Pt/BaTiO3, что еще раз подтверждает вывод о более качественном (эпитаксиальном) росте BaTiO3 на Pt нежели на Fe.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

–  –  –

36 52 пм В.

Экспериментально наблюдался эффект зависимости туннельного тока через сверхтонкую СЭ пленку BaTiO3 от направления поляризации в ней.

–  –  –

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы с использованием оборудования Центра коллективного пользования МФТИ и НОЦ «Нанотехнологии» МФТИ.

7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Evgeny Y. Tsymbal, H. Kohlsted. Tunneling across a Ferroelectric // Science. 2006. V. 313.

P. 181.

2. H. Kohlstedt, N. A. Pertsev, J. Rodriguez Contreras et al. Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectric tunnel junctions // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 125341.

3. V. Garcia S. Fusil, K. Bouzehouane1 et al. Giant tunnel electroresistance for nondestructive readout of ferroelectric states // Nature. 2009. V. 460. P. 81.

4. Martin Gajek, M. Bibes, S. Fusilet et al. Tunnel junctions with multiferroic barriers // Nature Materials. 2007. V. 6. P. 296.

5. J. Valasek. Piezoelectric and allied phenomena in Rochelle salt // Phys. Rev. 1920. V. 15. P. 537.

6. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука,1978. – 789.

7. Peter, F. Piezoresponse Force Microscopy and Surface Effects of Perovskite Ferroelectric Nanostructures – Forschungszentrum Jlich GmbH, 2006 – 125.

8. L. Esaki, R.B. Laibowitz, P.J. Stiles.// IBM Tech. Discl. Bull. 1971. V. 13. P. 2161.

9. A. Gruverman, D. Wu, H. Lu et al. Tunneling Electroresistance Effect in Ferroelectric Tunnel Junctions at the Nanoscale // Nano Lett. 2009. V. 9. P. 3539.

10. V. Garcia, M. Bibes, L. Bocher et al. Ferroelectric Control of Spin Polarization // Science. 2010.

V. 327. P. 1106.

11. Y.Yoneda, K. Sakaue, H. Terauchi. The phase transition of BaTiO3 thin film on Pt/MgO substrate // Condensed Matter. 2000. V. 12. N. 12. P. 8523.

12. S. Sahoo, S. Polisetty, Chun-Gang Duan et al. Ferroelectric control of magnetism in BaTiO3/Fe heterostructures via interface strain coupling // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. P. 092108.

13. M. K. Lee, T. K. Nath, C.B. Eom. Strain modification of epitaxial perovskite oxide thin films using structural transitions of ferroelectric BaTiO3 substrate // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77.

N. 22. P. 3547.

14. J. Zhu, L. Zheng W.B. Luo et al. Microstructural and electrical properties of BaTiO3 epitaxial films on SrTiO3 substructures with a LaNiO3 conductive layer as a template // J. Phys. D: Appl. Phys.

2006. V. 39. P. 2438.

15. Y S Kim, J Y Jo, D J Kim et al. Ferroelectric properties of SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3 ultrathin film capacitors free from passive lay // Applied Physics Letters. 2005. V. 88. N. 7. P. 072909

Похожие работы:

«ЦИКЛ КИСЛОРОДА Изменения содержания кислорода (наверху) и углекислого газа (внизу) за 600 миллионов лет PAL – Present Atmospheric Level Мог ли образоваться свободный кислород атмосферы без уч...»

«УДК 62.5 Я.А. Долгов А.А. Зюзин А.В. Финошин Ю.И. Мышляев СТАБИЛИЗАЦИЯ НЕУСТОЙЧИВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМЫ МАЯТНИК-ТЕЛЕЖКА С ПРИВОДОМ МЕТОДОМ СКОРОСТНОГО БИГРАДИНТА В статье рассматривается задача управ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО Уральский государственный лесотехнический университет Кафедра лесных культур и биофизики РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Б1.Б.15 "Водохозяйственные системы и водопользование" Направление подготовки: 20.03.02 "...»

«RU 2 463 659 C2 (19) (11) (13) РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (51) МПК G06Q 20/34 (2012.01) ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ (21)(22) Заявка: 2010121726/08, 20.10.2008 (72) Автор(ы): ТЁРНЕР Михаэл Джордж (NZ) (24) Дата начала отсчета срока действия пат...»

«Протокол 20-СТН(ТП(5)иКР(3,6)-03.2014/И от 13.02.2014 стр. 1 из 6 УТВЕРЖДАЮ Председатель Конкурсной комиссии _ С.В. Яковлев "13" февраля 2014 года ПРОТОКОЛ № 20-СТН(ТП(5)иКР(3,6)-03.2014/И заседания Конкурсной комиссии департамента организации и проведени...»

«Содержание: 1. Введение... 3 1.1. Общие сведения.. 3 1.2. Характеристика котла.. 3 1.3. Вид топлива.. 4 1.4. Спецификация поставки.. 4 1.5. Низкотемпературная коррозия.. 4 2. Назначение котлов типа KOMFORT EKO 3. Техническая характеристика.. 5 4...»

«Sprinter@ADSL LAN120/420 Модем-маршрутизатор ADSL2/2+ Annex A Руководство пользователя Версия 1.3 Август 2005 года (с) ACORP 2005 Sprinter@ADSL LAN120/420 — Руководство пользователя Уважаемый пользователь! Благодарим Вас за выбор модема Sprinter@ADSL LAN120/420 компании ACORP....»

«РАЗДЕЛ 1 Описание целей и задач территориального планирования.1.1. Цели и задачи территориального планирования. Основная цель генерального плана городского поселения Новоаннинское Новоаннинского муниципального района волгоградской области – уст...»

«МЕЖДУНАРОДНЫЙ МАРКЕТИНГ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМ. С. М. КИРОВА СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА МЕНЕДЖМЕНТА И МАРКЕТИНГА Междуна...»

«Федеральное агентство Российская научных организаций академия наук Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт социально-экономического развития территорий Российской академии наук А.Н. Чекавинский, П.М. Советов Проблемы использования научно-технических достижений в сельс...»










 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.