Дослідження розмірних ефектів в сегнетоелектричних тонких плівках з урахуванням впливу електродів - Автореферат

Оскільки для того щоб виміряти, а потім застосувати на практиці ту чи іншу властивість плівки, необхідно прикласти електроди до її поверхні, а тому актуальним постає питання впливу останніх на фазовий стан плівки. Більш того, при зменшенні товщини плівки все вагомішу роль відіграє її поверхня, а тому будь-яке дослідження розмірних ефектів мусить також включати у розгляд вплив поверхні. Постійний пошук експериментаторами оптимальних наборів електродів та сегнетоелектричних плівок з метою покращення результуючих властивостей сегнетоелектричних конденсаторів зводиться до поступового перебору всієї таблиці Менделєєва, що суттєво стримує розвиток новітніх технологій. Дисертаційна робота безпосередньо зв‘язана з виконанням науково-дослідницьких робіт по темах, які проводились в ІПМ НАН України, в тому числі:-0105U003640 “Створення наноструктур у мезопористих оксидних матрицях, а також тонких плівок на основі сегнетоелектриків та параелектриків, дослідження їх структури і властивостей з урахуванням напруженого стану, обумовленого низькою розмірністю”, 2005-2007 р.р. Для досягнення цієї мети необхідно провести теоретичне дослідження системи електрод-сегнетоелектрик та віднайти аналітичні залежності між основними характеристиками електродів та властивостями плівки сегнетоелектрика у залежності від товщини плівки, температури та її хімічного складу.У першому розділі проведено аналітичний огляд літературних джерел щодо основних характеристик і властивостей сегнетоелектричних нанорозмірних плівок в поєднанні з електродами. Також проведено узагальнення відомостей про технологію виготовлення сегнетоелектричних плівок та електродів. Аргументовано подається загальний фізичний механізм функціонування сегнетоелектричного конденсатора, утвореного плівкою та електродами. Розвязок цього рівняння визначає залежність основних властивостей сегнетоелектричної плівки від вхідних параметрів системи, включаючи характеристики електродів та плівки, а саме: L - загальна товщина системи, l - товщина плівки, А = Використовуючи вираз вільної енергії з перенормованими коефіцієнтами, знаходяться основні фізичні властивості системи електроди - сегнетоелектрична плівка (5), такі, як петлі гістерезису, спонтанна поляризація, діелектрична сприйнятливість, піроелектричний коефіцієнт, поле деполяризації і коерцитивне поле.Підбиваючи підсумки проведених досліджень формулюються наступні висновки: 1) Вперше розглянуто вклад металевих та напівпровідних електродів у функціонал вільної енергії сегнетоелектричної плівки. Для цього знайдено розподіл електричного поля в системі електрод/плівка/електрод з урахуванням ефекту екранування зарядів, згину зон провідності та валентності, шляхом розвязку відповідних рівнянь Пуассона. 3) Розвязок рівняння Ейлера - Лагранжа для поляризації плівки було отримано прямим варіаційним методом, що привело до отримання виразу для вільної енергії у звичайному вигляді характерному для обємних сегнетоелектриків проте з перенормованими коефіцієнтами при степенях параметру порядку - поляризації Р. Показано, що ці коефіцієнти залежать від товщини плівки, температури та характеристик електродів, таких як, довжина екранування носіїв заряду, згину зон та діелектричної константи електроду. 4) Отриманий вираз для вільної енергії дозволив вперше представити аналітичну формулу для поляризації, діелектричної проникності, піроелектричного коефіцієнта та поля деполяризації з урахуванням впливу електродів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Підбиваючи підсумки проведених досліджень формулюються наступні висновки: 1) Вперше розглянуто вклад металевих та напівпровідних електродів у функціонал вільної енергії сегнетоелектричної плівки. Для цього знайдено розподіл електричного поля в системі електрод/плівка/електрод з урахуванням ефекту екранування зарядів, згину зон провідності та валентності, шляхом розвязку відповідних рівнянь Пуассона.

2) Вперше знайдено розвязок рівняння Пуассона для випадку тонкої сегнетоелектричної плівки в наближенні сильного відхилення просторового заряду. Показано, що розвязок знайдений раніше Батрою і Сільверманом являється частковим випадком розвязку, отриманого в дисертації у більш загальному розгляді.

3) Розвязок рівняння Ейлера - Лагранжа для поляризації плівки було отримано прямим варіаційним методом, що привело до отримання виразу для вільної енергії у звичайному вигляді характерному для обємних сегнетоелектриків проте з перенормованими коефіцієнтами при степенях параметру порядку - поляризації Р. Показано, що ці коефіцієнти залежать від товщини плівки, температури та характеристик електродів, таких як, довжина екранування носіїв заряду, згину зон та діелектричної константи електроду.

4) Отриманий вираз для вільної енергії дозволив вперше представити аналітичну формулу для поляризації, діелектричної проникності, піроелектричного коефіцієнта та поля деполяризації з урахуванням впливу електродів.

- Зокрема показано, що поляризація практично лінійно залежить від величини довжини екранування і зменшується з її зростанням;

- Діелектрична проникність обернено залежить від довжини екранування і з ростом її положення розриву зміщується, вказуючи на зсув точки Кюрі

- Квадрат піроелектричного коефіцієнта також обернено залежить від довжини екранування і зростає з її збільшенням, що повязано із наближенням до фазового переходу;

- Показано, що поле деполяризації в загальному випадку має складний профіль вздовж глибини плівки, причому в середині плівки утворює деяке плато, а в приповерхневому шарі міняє знак на протилежний, таким чином підсилюючи поляризацію на поверхні, тоді як в глибині плівки воно направлено проти поляризації. Збільшення довжини екранування призводить до зростання поля деполяризації, як в області плато, так і в приповерхневому шарі.

- Також показано, що зростання діелектричної константи електроду суттєво покращує сегнетоелектричні властивості плівки.

5) Вперше встановлено можливість існування фазового переходу сегнето-, параелектрик індукованого електродами. Розраховано фазову діаграму та введено критичну довжину екранування, що вказує на неможливість існування сегнетоелектричної фази для плівки при значенні довжин екранування її електродів вище критичної.

6) Вперше запропоновано шлях точного розвязання рівняння Ейлера - Лагранжа в рамках теорії еліптичних функцій Вієрштрасу.

7) Проведено порівняння теорії з експериментом, в ході якого було показано, що вищезазначена теорія добре описує експериментальні дані для плівок PBZR0.35Ti0.65O3 з металевими електродами. Так для випадку плівок PZT на стандартній кремнієвій підкладці з одним спільним нижнім іридієвим електродом найкраще результати співпали для випадку верхнього електроду з SRRUO3.

8) Проведене дослідження встановило, що оптимальним вибором для сегнетоелектричних плівок із структурою перовскітну являються електроди, виготовлені із SRRUO3, цей матеріал може бути рекомендований для застосування в якості електроду в системах зберігання данних FERAM та інших пристроях, де важливо зберегти стабільну сегнетоелектричну фазу.

1. Глинчук М.Д., Зауличный В.Я., Стефанович В.А. Поле деполяризации и свойства тонких сегнетоэлектрических пленок с учетом влияния электродов. // Физика твердого тела. - 2005. - Т. 47, №7. - С. 1285-1292.

2. Glinchuk M.D., Zaulychny B.Y., Stephanovich V.A. Influence of semiconducting electrodes on properties of thin ferroelectric films // Phys. Stat. Sol. (b). - 2006. - V. 243, №2. - P. 542-554.

3. Glinchuk M.D., Zaulychny B.Y., Stephanovich V.A. Depolarization Field in Thin Ferroelectric Films With Account of Semiconductor Electrodes // Ferroelectrics. - 2005. - V. 316. - P. 1-6.

4. Stephanovich V.A., Glinchuk M.D., Zaulychny B.Y. Exact and Variational Treatment of Ferroelectric Thin Films with Different Materials of Electrodes // Ferroelectrics. -2005. - V. 317. - P. 101-107.

5. Glinchuk M.D., Zaulychny B.Y., Stephanovich V.A. Properties of thin ferroelectric film allowing for electrodes // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. -V. 4, № 2. - P. 395-406.