Переключение поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца с внутренним полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

00501»

Попова Елена Викторовна

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ТИТАНАТА СВИНЦА И ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА С ВНУТРЕННИМ ПОЛЕМ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 2012

2 6 ДПР 2012

005019126

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

университет»

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

Сидоркин Александр Степанович

Официальные оппоненты: Тополов Виталий Юрьевич доктор физико-

математических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», профессор кафедры технической физики

Курганский Сергей Иванович

доктор физико-математических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ВГУ», профессор кафедры физики твердого тела

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Защита состоится " 17 " мая 2012 года в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.038.06 в Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, ауд.428.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан " 16 " апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дрождин С.Н.

Актуальность темы. Физика конденсированного состояния в настоящее время переживают бурное развитие в качестве научного фундамента современного материаловедения. Активный интерес к этой отрасли знаний связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями при переходе к наноразмерам, так и с четко наметившимися перспективами управления свойствами материалов за счет варьирования их наноструктуры и создания на этой основе новых устройств наноэлектроники, измерительной техники, информационных систем нового поколения с широкими функциональными возможностями.

Среди различных наноструктур важное место занимают наноструктуриро-ванные диэлектрики и, в частности, сегнетоэлектрики и родственные мультифер-роичные материалы в виде тонких пленок, слоистых и композитных структур. Основным практически используемым свойством указанных объектов является их управляемый диэлектрический, электромеханический или магнитный отклик на внешнее воздействие, в основе которого, как правило, лежат процессы переключения поляризации.

Широкое практическое использование сегнетоэлектрических материалов сдерживается как нерешенностью ряда технологических задач, в первую очередь связанных с совершенствованием интерфейсных слоев, так и с незавершенностью исследований динамики переключения поляризации в данных структурах.

Все это делает чрезвычайно актуальной задачу управляемого контроля за состоянием доменной структуры сегнетоэлектриков и ее изменениями со временем и в процессе эксплуатации. В первую очередь это касается тонких сегнетоэлектрических пленок, которые имеют наибольшие перспективы для практических приложений с целью миниатюризации устройств, в связи с уменьшением управляющих полей, хорошей интеграцией указанных пленок с полупроводниковыми материалами, традиционно используемыми в электронике, а также для создания перепрограммируемых запоминающих устройств на базе сегнетоэлектриков.

В связи с этим целью настоящего исследования является выяснение закономерностей переключения поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках, в том числе в присутствии внутреннего поля смещения.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:

- изучение изменений в токах переключения в зависимости от числа циклов переключения, их связи с амплитудой и частотой приложенного внешнего поля;

- исследование зависимости усталостных свойств сегнетоэлектрических пленок от материала подложки и толщины образцов;

- исследование природы внутреннего поля смещения, обусловленного несимметричностью системы пленка - подложка;

- исследование причин нарастания усталостного состояния в сегнетоэлектрических пленках в рамках дислокационной модели;

- исследование влияния подложки на пироэлектрическую и эмиссионную активность пленок;

- изучение закономерностей формирования нанодоменов в атомном силовом микроскопе на основе представлений о контроле коэрцитивных полей за указанными процессами.

Тема диссертационной работы поддержана проектами 2.1.1/1381 и 2.1.1/12070 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2008 - 2011)» на тему «Нелинейные явления в наноразмерных структурах вещества при воздействии внешних полей», грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 10-02-005 56-а (2010 - 2012 гг.).

Объект и методики исследования. В качестве объекта исследования (уменьшение рабочих параметров в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле) в работе использовались поликристаллические сегнетоэлектрические пленки ти-таната свинца PbTi03 и цирконата-титаната свинца Pb(Zr0,5Tio,5)03 (PZT) толщиной 100 nm - 1 jim, синтезированные по технологии магнетронного распыления и по золь-гель технологии. В качестве подложки использовались монокристаллический кремний Si (100) и поликор (АЬОз) марки ВК-100-1.

Изучение явления усталости (уменьшение рабочих параметров в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле) в настоящей работе осуществлялось путем анализа эволюции петель диэлектрического гистерезиса, полученных с помощью схемы Сойера - Тауэра в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле, а также путем исследования токов переключения с помощью методики Мерца.

Пироэлектрические исследования пленок проводились квазистатическим

методом с помощью кулонометра UT-6801A с чувствительностью по току 10"17 А. Измерения тока термостимулированной эмиссии электронов проводились с помощью ВЭУ-6 по стандартной методике в вакууме порядка 10 " Па. Формирование и наблюдение сегнетоэлектрическнх ианодоменов в пленках проводилось при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver Р47Рго корпорации NT-MDT (Россия).

Научная новизна работы. Все основные результаты данной работы являются новыми. В настоящей работе впервые

- изучено влияние процессов усталости на токи переключения в тонких сегнетоэлектрическнх пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца;

- исследованы закономерности пироэлектрических и эмиссионных явлений в сегнетоэлектрическнх пленках с внутренним полем;

- исследовано влияние параметров, контролирующих коэрцитивное поле на размеры доменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.

Практическая ценность работы. Выявленные закономерности позволяют контролировать процессы усталости и, следовательно, дают возможность продлять количество полезных циклов переключения при эксплуатации сегнетоэлектрическнх пленок. Целенаправленное влияние на величину внутреннего и коэрцитивного поля пленок позволяет добиваться необходимых на практике пироэлектрических и эмиссионных характеристик пленок и контролировать размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Представления о происхождении полевой, частотной и температурной зависимости усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках в рамках модели, связывающей уменьшение переключаемой поляризации с блокированием процессов переключения системой заряженных дислокаций.

2. Высокие значения пирокоэффициеита и плотности эмиссионного тока в пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца являются следствием существования внутреннего смещающего поля, связанного с возникновением дислокаций несоответствия на границе сегнетоэлектрического материала и подложки;

3. Функциональные зависимости размеров 180 - градусных сегнетоэлектрических доменов, формируемых в атомном силовом

микроскопе, от параметров, контролирующих коэрцитивное поле сегнетоэлектрической пленки.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 11-ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству, Аргентина / Бразилия, 2005; XVII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XVII), Пенза, 2005; 4-ой Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», Москва, 2006; 11 -ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству, Блед, Словения, 2007; XVIII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков, Санкт-Петербург, 2008; V-ой Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», Москва, 2008; Н-ой Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях (ММПСН-2008)», Москва, 2009; Н-ой Научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники», Пенза, 2009; 10-ом Российско/СНГ/Балтийско/Японском Симпозиуме по сегнетоэлектричеству, Иокогама, Япония, 2010.

Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор методов и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф. - м.н., проф. Сидоркиным A.C.

По теме диссертации опубликовано 9 статей, в том числе 4 статьи в изданиях ВАК и 5 статей в трудах конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 52 рисунка. Библиографический раздел включает 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность работы, определена цель исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость

полученных результатов и основные научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме диссертации, личном вкладе автора, структуре и объеме работы.

В первом главе приводится обзор работ, посвященных особенностям переполяризации и усталости тонких сегнетоэлектрических пленок, а также вопросам формирования доменной структуры в атомном силовом микроскопе.

Отмечается, что в случае топких пленок вместо модели Колмогорова - Ав-рами - Ишибаши, используемой для описания процессов переключения в объемных материалах зачастую более корректное описание экспериментальных данных дает модель лимитированного зародышеобразованием переключения, основным положением которой являются представления о том, что время движения доменной стенки пренебрежимо мало по сравнению со временем зародышеобразования. Показано, что реальная кинетика переключения тонких пленок существенно различается для комнатных и низких температур. При этом низкотемпературное поведение пленок аналогично переключательному поведению объемных монокристаллов.

Рассмотрены основные модели, объясняющие различные аспекты усталости: уменьшение площади электродов в процессе многократного переключения, модель, в которой усталость обусловлена пинниигом (закреплением) доменных стенок дефектами, создаваемыми за счет электромиграции кислородных вакансий, инжекцией зарядов из электродов; формирование и рост приповерхностного «мертвого» слоя, который меняет фазовый состав плёнок, превращая их в несег-нетоэлектрический материал.

Описываются используемые в работе способы получения тонких сегнетоэлектрических пленок - магнетронное распыление и золь-гель технология, а также методы исследования доменной структуры и процессов зарождения и визуализации доменов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Показано, что силовая зондовая микроскопия (СЗМ) представляет собой уникальный инструмент доменной наноманипуляции. Изменение амплитуды поля, приложенного к проводящему зонду, позволяет использовать СЗМ как для визуализации доменов с рекордно высоким пространственным разрешением, так и для создания нанодо-менов.

Подробно рассмотрена используемая в работе методика получения изображений рельефа поверхностей с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) в

режиме пьезоэлектрического отклика, основанная на детектировании локального электромеханического смещения поверхности сегнетоэлектрика в результате обратного пьезоэлектрического эффекта.

Исходя из анализа литературных данных, делается заключение об отсутствии в литературе непротиворечивых объяснений процессов усталости, отсутствии достаточных исследований природы внутреннего поля в тонких сегнетоэлектри-ческих пленках и его влияния на свойства пленок, а также изучения факторов, контролирующих размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.

Во второй главе с использованием взаимодополняющих методик Сойера -Тауэра и Мерца исследуются процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок. В первом разделе главы рассматривается влияние электрического поля, частоты и температуры на процессы усталости. Экспериментально изучены полевые и частотные зависимости остаточной поляризации, коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения от количества циклов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца. Предложена модель, описывающая особенности проявления эффекта усталости в указанных пленках.

Проведенные исследования показали, что увеличение амплитуды переменного электрического поля приводит к ускорению процессов усталости, как в пленках титаната свинца, так и в пленках цирконата-титаната свинца.

10/g/v

Рис. 1 - Зависимости переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок РЬТЮз на кремниевой подложке при Т = 20 С, f = 10 MHz: 1,2,3- Е = 130, 200, 270 kV/cm.

, Ei, Et, M/cm

90 Î

60

10

IgN

Рис. 2 - Зависимости коэрцитивного поля (1,2,3) и внутреннего поля смещения (4,5,6) от числа циклов переключения для пленок РЬТЮз на кремниевой подложке. Т = 20°С, f = 10 MHz: 1, 2, 3 - Е = 130, 200, 270 kV/cm.

Это отражается как в пороговом уменьшении величины переключаемой поляризации Р с ростом количества циклов переключения N (рис.1), так и в увеличении с ростом N коэрцитивного поля Ес и внутреннего поля смещения Ев (рис.2).

р, fjC/cmг

Ее, Et, kV/cm

75 45

15 О

1

l *"

4 »■ л~-

Л* & к

/»Л/

IgN

Prie. З - Зависимости переключаемой Рис. 4 - Зависимости коэрцитивного поляризации от числа циклов переклю- поля (1,2,3) и внутреннего поля смеще-чения для пленок Pb(Zro.5Tio.5)C>3 на ния (4,5,6) от числа циклов переключе-кремниевой подложке при Т = 20°С, Е = ния для пленок Pb(Zro.5Tio.5)03 на крем-130 kV/cm: 1 - 100 kHz ; 2 - 1MHz; 3 - ниевой подложке. Т = 20°С, Е = 130 10 MHz. kV/cm: 1 - 100 kHz; 2 - 1MHz; 3 - 10

MHz.

Измерение переключаемой поляризации от количества циклов переключения N при различных частотах и постоянной амплитуде внешнего поля (рис.3 и рис.4), показало, что пороговое значение циклов переключения, которое выдерживают пленки, растет с увеличением частоты.

Р, цС/ст7

Р, цС/ст2

о 2 4 6 к ю

1дЫ

Рис. 5 - Зависимости переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок РЬТЮз на различных подложках: ¿/=1 цш, Т = 480°С, Е = 200 кУ/ст: 1 - поликоровая подложка; 2 - подложка из кремния.

о 2 4 6 к т

¡ды

Рис. 6 - Зависимости переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок РЬТЮз на кремниевой подложке при Г= 20°С, Е = 160 кУ/ст: 1 - с! = 0,2 цш; 2 - с!= 0,5 цш.

На рисунках 5 и 6 показаны зависимости поляризации от количества циклов переключения, построенные для одного и того же поля для пленок титаната свинца на различных подложках и для различных толщин образцов соответственно. Видно, что пленки, полученные на подложке из германия, показывают предпочтительное поведение с точки зрения эффектов усталости, а пленки большей толщины выдерживают большее число циклов переключения.

В третьей части первой главы рассматривается эволюция токов переключения в процессе усталости в зависимости от количества циклов переключения для пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца двух разных толщин при комнатной температуре и различных амплитудах внешнего поля для положительного и отрицательного импульсов.

Ток переключения измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 £2, и регистрировался на экране двухканалыюго цифрового осциллографа. Время нарастания переключающего напряжения составляло не более 10 пв. Измеряемыми величинами являлись интегральные характеристики переключения: максимальное значение импульса тока переключения /'„,<„ и полное время переключения Ту. Время переключения определялось как интервал между началом импульса и моментом, когда значение тока падает до 10% от максималь-

0 1 00 200 300 400 0 -|00 200 300 300

£ т (, лэ

Рис. 7 — Зависимость положительных (а) и отрицательных (б) импульсов тока переключения /' от количества циклов переключения N для пленок цирконата-титаната свинца толщииой 0,5 цт при внешнем поле 120 кУ/ст. 1 - 10б, 2 - 107, 3 — 10^, 4 — 109 циклов переключения.

Временные зависимости тока переключения для пленок цирконата-титаната свинца после различного количества циклов переключения для положительных и

отрицательных импульсов тока представлены на рисунке 7. Из представленных графиков видно, что с ростом числа циклов переключения N наблюдается уменьшение максимума тока и времени переключения, что указывает на уменьшение объема, участвующего в переключении, что в свою очередь может быть объяснено закреплением доменных стенок дефектами в пленках в процессе усталости.

Анализ полученных закономерностей показывает, что с высокой вероятностью в наблюдаемых процессах усталости активна диффузия заряженных носителей, эффективность которой возрастает за счет увеличения действующей на них силы вместе с ростом величины поля и времени его воздействия. При этом основным вопросом, требующим прояснения, является причина разделения эффективных в «усталости» зарядов, поскольку в обычном случае точечных зарядов изменение знака переменного поля влечет за собой и симметричное изменение направления силы воздействия. Показано, что возможная причина указанного разделения возникает в случае, если роль закрепляющих поляризацию дефектов играют дислокации.

Существует важная специфика движения дислокаций в сегнетоэлектриче-ских кристаллах в условиях периодического переключения доменной структуры. С учетом того, что дислокации в сегнетоэлектрических кристаллах являются заряженными, они испытывают смещающие силы со стороны приложенного электрического поля. Знак заряда дислокации меняется при изменении вектора спонтанной поляризации. Поэтому одна и та же дислокация будет испытывать силы разного знака в различных доменах. При изменении доменной структуры сегнето-электрика в процессе переключения меняется и направление силы, действующей со стороны внешнего поля на дислокацию. Указанная зависимость не симметрична относительно оси времени, в результате чего средняя по времени сила, действующая на заряженную дислокацию, не равна нулю. Таким образом, в процессе периодического переключения доменной структуры сегнетоэлектрика существует постоянная составляющая силы, движущая дислокации данного типа в одном направлении. Длительное действие такой силы приводит к разделению дислокаций разного знака, обеспечивающему накопление необходимых упругих и электрических компенсационных полей вблизи поверхности пленки или границ обратных доменов.

Критическое значение числа циклов переключения можно оценить из условия равенства переключаемой поляризации, а, значит, и поверхностной плотности заряда на поверхности сегнетоэлектрика заряду, приносимому сюда потоком заряженных дислокаций за время, равное суммарной длительности критического количества циклов переключения:

Здесь Р — переключаемая поляризация, N - критическое количество циклов переключения, /- частота переключения. Подставляя в (1) поверхностную плотность токау, переносимого заряженными дислокациями

у=г пхцЕ (2)

с линейной плотностью заряда на дислокациях т = РЬ {Ь - вектор Бюргерса дислокации, п„ - поверхностная плотность дислокаций, ¡л - подвижность дислокаций, Е - средняя по времени поле, действующее на единицу заряда дислокации), получим

^_ У

Как видно из (3), критическое значение циклов переключения уменьшается с ростом амплитуды поля и температуры, поскольку в последнем случае растет подвижность дислокаций. Кроме того, критическое значение циклов переключения уменьшается с уменьшением частоты. Причиной этого в данном случае является нарастание усталостного состояния не от числа циклов переключения, а от длительности действия электрического поля, способствующего движению заряженных дислокаций.

С ростом коэрцитивного поля вследствие изменения материала подложки или толщины пленки возникает необходимость в увеличении амплитуды переполяризующего поля, что интенсифицирует миграцию заряженных дефектов и, как следствие, ускоряет усталостные процессы.

Третья глава посвящена исследованию влияния внутреннего поля смещения на пироэлектрические и эмиссионные свойства тонкопленочных сегнетоэлек-триков титаната свинца и цирконата титаната свинца.

Проведенные исследования обнаружили естественную униполярность образцов полученных пленок цирконата-титаната свинца в диапазоне температур от +20 °С до +220 °С со значениями пирокоэффициента у порядка 20... 100 ед. СвБЕ.

В области температур +260...+340 °С у полученных образцов наблюдается характерный максимум пирокоэффициента в зависимости у(Т) (рис. 8) со значениями у порядка 20 тысяч единиц. Дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению значений пирокоэффициента при приближении к фазовому переходу, и при температурах выше +340 °С коэффициент у обращается в ноль.

Полученные достаточно большие значения пирокоэфициента указывают на высокую степень естественной униполярности образцов, которую аналогично сегнетоэлектрическим композитам можно связать с формированием в процессе получения пленок внутреннего смещающего поля за счет асимметричности гете-роструктуры сегнетоэлектрическая пленка - подложка. Повторные пироэлектрические измерения показали незначительное уменьшение значений пирокоэффициента во всем температурном интервале по сравнению с данными первичных измерений, что указывает на достаточно хорошую стабильность естественной униполярности пленок VZT к тепловым воздействиям.

Результаты пироэлектрических измерений хорошо коррелируют с исследованиями термостимулированной эмиссии с поверхности пленок Р2Т. В диапазоне температур от комнатной до ~ +50 °С. эмиссия электронов практически отсутствует. Затем происходит небольшой рост эмиссионного тока с тремя небольшими максимумами в области температур +80...+100 °С (рис.9).

Рис. 8 - Зависимость пироэлектриче- Рис. 9 - Температурная зависимость ского коэффициента от температуры плотности эмиссионного тока для для пленки РгТ. пленки Р£Т.

Последующее увеличение температуры приводит к появлению основного максимума эмиссионного тока и дальнейшим спадом его до нуля при приближении к фазовому переходу.

Наблюдаемая термоэмиссионная активность исследуемых сегнетоэлек-трических пленок PZT может быть объяснена автоэлектронной эмиссией электронов из поверхностных электронных состояний в поле зарядов экранирования спонтанной поляризации. Затягивание эмиссии электронов в параэлектрическую фазу может быть обусловлено большим временем максвелловской релаксации зарядов экранирования спонтанной поляризации. Кроме того, не исключено вхождение различного рода дефектов в пленки в процессе их получения, и формирования в пленках внутренних смещающих полей, что подтверждается существованием пироэлектрического эффекта в параэлектрической фазе.

Вторая часть данной главы посвящена сравнительному изучению эффективности формирования внутреннего смещающего поля в сегнетоэлектриках системой ориентированных полярных дефектов на примере кристаллов триглицин-сульфата (Т08) с различными примесями.

с, Ю2

О 46

5D

т°, с

Проведенные Т°, С диэлектрические исследования показали увеличение температуры фазового перехода (Тс) для образцов кристалла TGS, выращенного при температурах ниже 0°С, на 0,8 К и некоторое размытие в нем фазового перехода по сравнению с обычным кристаллом TGS (выращенным при температурах 48...43 °С) (кривая 2, рис. 10). Измерения на образцах низкотемпературного кристалла TGS, легированного молекулами L, а - аланина (а - TGS),

Рис. 10 - Температурные зависимости диэлектрической проницаемости

вдоль полярной оси для кристаллов показали еще большее смещение точки

ТОЭ, выращенных (7) в стандартном фазового перехода в сторону высоких

температурном диапазоне (< Тс) и (2- температур на 1,6 и 1,9 для образцов с 2 4) при отрицательных температурах:

кривая 2 - для чистого образца; 3, 4 мол' % (кР™ая 3, рис. 10) и 5 мол. % в

- для образцов легированных приме- растворе (4, рис. 10) соответственно и

сями и а- аланина (2 и 5 мол. % в большее размытие фазового перехода, растворе, соответственно).

Пироэлектрические исследования показали относительно плавный характер зависимости пирокоэффнциента от температуры для низкотемпературных кристаллов TGS, как номинально чистых, так и с исследуемыми примесями, во всём исследуемом интервале температур от комнатных до точки Кюри.

Особенностью образцов низкотемпературных кристаллов TGS, легированных примесями молекулами L, а - аланина, является стабильность значений пирокоэффнциента у во всём исследуемом температурном интервале при многократных повторных измерениях. Это позволяет говорить о том, что введение примеси молекул L, а - аланина оказывает более сильное воздействие на свойства низкотемпературного кристалла, чем ростовые дефекты.

Наблюдаемые изменения диэлектрических и пироэлектрических свойств кристаллов TGS при изменении условий выращивания и концентрации легирующей примеси объясняются влиянием так называемого внутреннего смещающего поля Еь, сформированного системой ориентированных дефектов. В рамках такого подхода введение в кристаллы TGS при их выращивании при отрицательных температурах полярных молекул L, а - аланина приводит к усилению влияния ростовых полярных дефектов (кластеров) и к более эффективному изменению свойств таких кристаллов по сравнению с кристаллами, выращенными в традиционном интервале температур роста.

В четвертой главе исследуются закономерности формирования нанодоме-нов в тонкопленочных сегнетоэлектриках титаната свинца и цирконата-титаната свинца с помощью АСМ. Сегнетоэлектрические материалы являются активно исследуемыми кандидатами для построения нового поколения устройств электронной техники на наномасштабных принципах. С помощью атомно-силовой микроскопии на поверхности пленки может быть генерировано чрезвычайно высокое электрическое поле при использовании сравнительно низкого потенциала. Это делает методы АСМ многообещающими для исследований модификации и создания высокоорганизованной структуры доменов со средним разрешимым интервалом близким к физическому пределу.

Для формирования нанодоменов в сегнетоэлектрических пленках в настоящей работе использовались кремниевые кантилеверы CSG11 с золотым покрытием (с резонансной частотой до 28 kHz и силовой постоянной до 0,2 N/m), на которые подавалось постоянное напряжение до + 10 V. Поляризационная картина по-

верхности пленки до и после формирования, контролировалась сканированием в режиме пьезоотклика.

Результаты исследований показали, что в процессе «записи» нанодоменов может происходить частичное или полное переключения направления поляризации в пределах одного кристаллита (рис.11). При этом влияние соседних зерен на формируемую картину минимально, что обосновывается ограничивающим влиянием межзеренных границ на боковое движение доменных стенок.

Проведенные эксперименты также показали, что наличне подложки приводит к формированию внутреннего смещающего поля в тонких сегнетоэлектриче-ских пленках, которое в зависимости от своего направления по отношению к приложенному внешнему полю либо облегчает, либо затрудняет формирование доменов в атомном силовом микроскопе.

Рис. 11 - Картина распределения фаз колебаний кантилевера в режиме пьезоотклика. Область сканирования 700 nm. Исходное состояние - слева, после приложения постоянного напряжения в указанную точку - справа

Во второй части четвертой главы приведена количественная оценка размеров нанодоменов, формируемых в АСМ, полученная из условия равенства поля, создаваемого наконечником зонда на поверхности сегнетоэлектрической пленки, полю коэрцитивному. Для квадрата радиуса нанодомена г на поверхности пленки при єс = єа = є » 1 & модели коэрцитивного поля, контролируемого дефектами, получено следующее выражение:

~2q (R + S)

где Л - радиус кривизны наконечника зонда, д — расстояние между зондом и образцом, 9=С,С/, и - напряжение между наконечником зонда и нижним электродом, С, - емкость системы наконечник зонда - образец, Ри - переключаемая поляризация, по и V,я - концентрация и энергия взаимодействия доменных границ с дефектами соответственно.

Видно, что радиус формируемого нанодомена уменьшается с ростом концентрации дефектов щ, препятствующих переполяризации, и энергии взаимодействия доменных границ с дефектами. Вместе с ростом прикладываемого напряжения растет и размер формируемого домена.

Исследование диэлектрических и переключательных характеристик сегне-тоэлектрических пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца показывают, что и пленки титаната свинца, и пленки цирконата-титаната свинца на поликоре обладают большими значениями коэрцитивного поля по сравнению с пленками на подложках из кремния (табл. 1).

Таблица 1. Диэлектрические и переключательные характеристики сегнето-электрических пленок.

Ps (цС/ст2) £ £max Ec (kV/cm), 20 °С, 100 Hz Eb (kV/cm), 20 °С, 100 Hz

РЬТІОз (АЬО,) 15-18 200-300 7000 110-120 50-70

Pb(Zr0.sTioj)03 (А12Оз) 28-32 300-400 14000 40-80 20-40

PbTiOj (Si) 15-22 200-250 6500 40-50 25-35

Pb(Zro.5Tio.5)03 (Si) 23-25 200-300 7000 30-40 10-20

Это означает, что размеры нанодоменов, формируемых с помощью канти-левера АСМ в пленках на поликоре, при прочих равных условиях всегда должны оказываться меньшими, чем в пленках на подложках из кремния, что и подтверждается в эксперименте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованы изменения, возникающие в токах переключения пленок тита-ната свинца и цирконата-титаната свинца, подвергшихся многократному переключению. Показано, что с увеличением числа циклов переключения наблюдается уменьшение максимума тока переключения, времени переключения и переключаемой поляризации, растут коэрцитивное поле и внутреннее поле смещения. Деградация происходит сильнее при больших значениях внешних полей, меньших частотах и более высоких температурах.

2. Интенсивность процессов усталости существенно зависит от материала и характеристик подложки: при одном и том же значении переключающего поля пленки на кремневой подложке выдерживают большее количество циклов переключения и, следовательно, более устойчивы к явлению усталости по сравнению с пленками на поликоре. Другим фактором, влияющим на усталость, является толщина образца. Для пленок меньшей толщины, которые характеризуются большими значениями внутреннего и коэрцитивного полей, наблюдается заметное ухудшению их усталостных свойств по сравнению с более толстыми пленками.

3. Наблюдаемая в эксперименте усталость объясняется закреплением переключаемой поляризации дислокациями. Заряженные дислокации испытывают постоянную составляющую силы, движущую дислокации данного типа в одном направлении. Длительное действие такой силы приводит к разделению дислокаций разного знака, обеспечивающему накопление необходимых упругих и электрических компенсационных полей вблизи поверхности пленки или границ обратных доменов.

4. В рамках дислокационной модели в соответствии с экспериментом критическое значение циклов переключения уменьшается с ростом амплитуды поля и температуры, поскольку в последнем случае растет подвижность дислокаций. Кроме того, критическое значение циклов переключения уменьшается с уменьшением частоты, причиной которого является увеличения длительности действия электрического поля, движущего заряженные дислокации.

5. Наличие подложки приводит к формированию в тонких сегнетоэлектри-ческих пленках связанного с несимметричностью гетероструктуры пленка - подложка внутреннего смещающего поля, которое способствует высокой пнроэлек-

трической и эмиссионной активности пленок. Формирование указанного поля может быть связано с возникновением вблизи границы раздела сегнетоэлектрик -подложка дислокаций несоответствия, порожденных различием линейных размеров элементарных ячеек в сегнетоэлектрическом материале и подложке.

6. Изучены закономерности формирования нанодоменов в сегнетоэлектри-ческих пленках, полученных на различных подложках. Установлена корреляция между размерами нанодоменов и величиной коэрцитивного поля сегнетоэлектри-ческой пленки. Рост концентрации дефектов кристаллической структуры, а также энергии взаимодействия доменных границ с дефектами приводит к росту коэрцитивного поля и тем самым - к уменьшению размеров формируемых нанодоменов. При прочих равных условиях размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе в пленках на поликоре, отличающихся большими значениями коэрцитивного поля, оказываются меньшими, чем в пленках на подложках из кремния.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях:

1. Сидоркин A.C. Усталость тонких пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца с различными значениями коэрцитивного и внутреннего полей / A.C. Сидоркин, Л.П. Нестеренко, Б.М. Даринский, A.A. Сидоркин, Г.Г. Булавина, Е.В. Ионова // Известия РАН. Серия физическая, - 2010. - Т.74, № 9 - С.1367 -1369.

2. Sidorkin A.S. Pyroelectric Properties of Lead Zirconate-Titanate Thin Films / A.S. Sidorkin, S.D. Milovidova, O.V. Rogazinskaya, S.V. Ryabtsev, E.V. lonova, A.B. Plaksitsky, S.A. Bavykin // Ferroelectrics. - 2010. - V.397 - P. 108 - 111.

3. Миловидова С.Д. Сегнетоэлектрические свойства нанокомпозита гидрозоля SÍO2-TGS / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, A.C. Сидоркин, Т.Н. Пояркова, С.А. Бавыкин, Е.В. Ионова // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. - Т.74, №9.-С.1351 - 1354.

4. Миловидова С.Д. Внутреннее смещающее поле в кристаллах ТГС с L, а -аланином, выращенных при отрицательных температурах / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, A.C. Сидоркин, Е.В. Ионова, А.П. Кириченко, С.А. Бавыкин // Кристаллография. - 2010. - Т.55, N.5. - С.877 - 879.

В других журналах и изданиях:

5. Рогазинская О.В. Структура и свойства кристаллов ТГС, выращенных при температурах ниже 0°С / О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, A.C. Сидоркин, А.Н. Юрьев, О.Б. Яценко, Е.В. Ионова, Т.А. Артемьева, Ж.Д. Стеханова // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - Москва, 2004. - С.31-33.

6. Миловидова С.Д. Влияние температурного отжига на диэлектрическую нелинейность кристаллов ТГС, выращенных при температурах ниже 0 °С / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, A.C. Сидоркин, О.Б. Яценко, Е.В. Ионова, А.Н. Юрьев // Материалы 4-ой Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - Москва, 2006. — С.22 —25.

7. Рогазинская О.В. Свойства нанопористого оксида алюминия с включениями сегнетоэлектрического триглицинсульфата / О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, A.C. Сидоркин, В.В. Чернышев, Е.В. Ионова // Материалы 4-ой Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - Москва, МИРЭА, 2006. - Ч.З. - С.279 - 281.

8. Плаксицкий А.Б. Кинетика электростимулированной эмиссии электронов облученных кристаллов ТГС / А.Б. Плаксицкий, A.C. Сидоркин, О.В. Рогазинская, С.Д. Миловидова, Н.Г. Бабичева, Е.В. Ионова, С.М. Денисов // Материалы V-ой Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике». - Москва, Энергоатомиздат, 2008. - 4.2. - С.25 - 27.

9. Миловидова С.Д. Свойства нанокомпозита гидрозоля Si02-TGS / С.Д. Миловидова, О.В. Рогазинская, A.C. Сидоркин, С.А. Бавыкин* Е.В. Ионова // Труды 11-ой Научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» - Пенза, 2009. - С.181 - 184.

Подписано в печать 10.04.12. Формат 60*84 Vj6. Усл. псч. л. 1,2.

Тираж 100 экз. Заказ 339.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-пол и графического центра Воронежского государственного университета.

394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

61 12-1/954

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ионова Елена Викторовна

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ТИТАНАТА СВИНЦА И ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА С ВНУТРЕННИМ ПОЛЕМ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор СИДОРКИН А.С.

Воронеж-2012

Оглавление

Глава 1. Процессы переключения в тонких сегнетоэлектрических

пленках.................................................................................................................8

1.1. Синтез тонких сегнетоэлектрических пленок. Методики эксперимента......8

1.2. Особенности переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках..........................................................................11

1.3. Процессы старения и усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках.20

1.4. Технология формирования нанодоменов в тонких пленках в атомном силовом микроскопе...........................................................................................34

Глава 2. Процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок...........44

2.1. Влияние электрического поля, частоты, температуры, материала подложки и толщины пленки на процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок............................................................................44

2.2. Влияние процессов усталости на токи переключения в пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца................................................................53

2.3. Дислокационная модель усталости сегнетоэлектриков в результате многократного переключения............................................................................60

Глава 3. Внутреннее поле смещения в тонких пленках и его влияние на

электрические свойства пленок.......................................................................63

3.1. Пироэлектрические и эмиссионные свойства пленок цирконата-титаната свинца..................................................................................................63

3.2. Внутреннее смещающее поле в кристаллах TTC с L, а -аланином, выращенных при отрицательных температурах...............................................70

Глава 4. Формирование нанодоменов в атомном силовом микроскопе......77

4.1. Закономерности формирования нанодоменов в тонкопленочных сегнетоэлектриках титаната свинца и цирконата титаната свинца.................77

4.2. Расчет параметров нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе..........................................................................................................84

Заключение............................................................................................................91

Литература.............................................................................................................93

Введение

Актуальность темы. Физика конденсированного состояния в настоящее время переживает бурное развитие в качестве научного фундамента современного материаловедения. Активный интерес к этой отрасли знаний связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями при переходе к наноразмерам, так и с четко наметившимися перспективами управления свойствами материалов за счет варьирования их наноструктуры и создания на этой основе новых устройств наноэлектроники, измерительной техники, информационных систем нового поколения с широкими функциональны ми возможностями.

Среди различных наноструктур важное место занимают нанострукту-рированные диэлектрики и, в частности, сегнетоэлектрики и родственные мультиферроичные материалы в виде тонких пленок, слоистых и композитных структур. Основным практически используемым свойством указанных объектов является их управляемый диэлектрический, электромеханический или магнитный отклик на внешнее воздействие, в основе которого, как правило, лежат процессы переключения поляризации.

Широкое практическое использование сегнетоэлектрических материалов сдерживается как нерешенностью ряда технологических задач, в первую очередь связанных с совершенствованием интерфейсных слоев, так и с незавершенностью исследований динамики переключения поляризации в данных структурах.

Все это делает чрезвычайно актуальной задачу управляемого контроля за состоянием доменной структуры сегнетоэлектриков и ее изменениями со временем и в процессе эксплуатации. В первую очередь это касается тонких сегнетоэлектрических пленок, которые имеют наибольшие перспективы для практических приложений с целью миниатюризации устройств, в связи с уменьшением управляющих полей, хорошей интеграцией указанных пленок с полупроводниковыми материалами, традиционно используемыми в элек-

тронике, а также для создания перепрограммируемых запоминающих устройств на базе сегнетоэлектриков.

В связи с этим целью настоящего исследования является выяснение закономерностей переключения поляризации в тонкопленочных сегнетоэлек-триках, в том числе в присутствии внутреннего поля смещения.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи данной работы:

- изучение изменений в токах переключения в зависимости от числа циклов переключения, их связи с амплитудой и частотой приложенного внешнего поля;

- исследование зависимости усталостных свойств сегнетоэлектриче-ских пленок от материала подложки и толщины образцов;

- исследование природы внутреннего поля смещения, обусловленного несимметричностью системы пленка - подложка;

- исследование причин нарастания усталого состояния в сегнетоэлек-трических пленках в рамках дислокационной модели;

- исследование влияния подложки на пироэлектрическую и эмиссионную активность пленок;

- изучение закономерностей формирования нанодоменов в атомном силовом микроскопе на основе представлений о контроле коэрцитивных полей за указанными процессами.

Тема диссертационной работы поддержана проектами 2.1.1/1381 и 2.1.1/12070 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2008 -2011)» на тему «Нелинейные явления в наноразмерных структурах вещества при воздействии внешних полей», грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 10-02-00556-а (2010-2012 гг.).

Объект и методики исследования

В качестве объекта исследования в работе использовались поликристаллические сегнетоэлектрические пленки титаната свинца РЬТЮз и цирко-ната-титаната свинца РЬ^Го^Т^^Оз (РгТ) толщиной 100 пт - 1 ¡Ш1, синтези-

4

рованные по технологии магнетронного распыления и по золь-гель технологии. В качестве подложки использовались монокристаллический кремний Si <100) и поликор (А1203) марки ВК-100-1.

Изучение явления усталости в настоящей работе осуществлялось путем анализа эволюции петель диэлектрического гистерезиса, полученных с помощью схемы Сойера - Тауэра в процессе многократного циклического переключения поляризации исследуемых структур в переменном электрическом поле, а также путем исследования токов переключения с помощью методики Мерца.

Пироэлектрические исследования пленок проводились квазистатическим методом с помощью кулонометра UT-6801A, с чувствительностью по

11

току 10" А. Измерения тока термостимулированной эмиссии электронов j проводились с помощью ВЭУ-6 по стандартной методике в вакууме порядка 10" Ра. Формирование и измерение локальных областей нанодоменов в пленках проводилось при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver Р47Рго корпорации NT-MDT (Россия).

Научная новизна работы. Все основные результаты данной работы являются новыми. В настоящей работе впервые

- изучено влияние процессов усталости на токи переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках;

- исследованы закономерности пироэлектрических и эмиссионных явлений в сегнетоэлектрических пленках с внутренним полем;

- исследовано влияние параметров, контролирующих коэрцитивное поле на параметры доменов, возникающих в атомном силовом микроскопе.

Практическая ценность работы.

Выявленные закономерности позволяют контролировать процессы усталости и, следовательно, дают возможность продлять количество полезных циклов переключения при эксплуатации сегнетоэлектрических пленок. Целенаправленное влияние на величину внутреннего и

коэрцитивного поля пленок позволяет добиваться необходимых на практике

5

пироэлектрических и эмиссионных характеристик пленок и контролировать размеры нанодоменов, формируемых в атомном силовом микроскопе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Представления о происхождении полевой, частотной и температурной зависимости усталости в тонких сегнетоэлектрических пленках в рамках модели, связывающей уменьшение переключаемой поляризации с блокированием процессов переключения системой заряженных дислокаций.

2. Высокие значения пирокоэффициента и плотности эмиссионного тока в пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца являются следствием существования внутреннего смещающего поля, связанного с возникновением дислокаций несоответствия на границе сегнетоэлектрического материала и подложки;

3. Функциональные зависимости размеров 180 - градусных сегнетоэлектрических доменов, формируемых в атомном силовом микроскопе, от параметров, контролирующих коэрцитивное поле сегнетоэлектрической пленки.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 11- ой Международной конференции по сегнетоэлектричеству, Аргентина/Бразилия, 2005; XVII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС -XVII), Пенза, 2005; 4-ой Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», Москва, 2006; 11-ой Европейской конференции по сегнетоэлектричеству, Блед, Словения, 2007; XVIII-ой Всероссийской Конференции по физике сегнетоэлектриков, Санкт-Петербург, 2008; V-ой Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», Москва, 2008; П-ой Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях (ММПСН-2008)», Москва, 2009; П-ой Научно-

6

технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наноси-стем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники», Пенза, 2009; 10-ом Российско/СНГ/Балтийско/Японском Симпозиуме по сегнетоэлектричеству, Йокогама, Япония, 2010.

Публикации и вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Воронежского госуниверситета в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор методов и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Сидоркиным A.C.

По теме диссертации опубликовано 9 статей, в том числе 4 статьи в изданиях ВАК и 5 статей в трудах конференций.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 52 рисунка. Библиографический раздел включает 109 наименований.

Глава 1. Процессы переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках

1.1. Синтез тонких сегнетоэлектрических пленок. Методики эксперимента

В настоящее время устоявшимися можно считать два способа получения тонких сегнетоэлектрических пленок. Это метод высокочастотного маг-нетронного распыления [1-4] и золь-гель технология [5-11].

Высокочастотное магнетронное распыление - один из современных методов формирования тонкопленочных структур, широко используемых в микроэлектронике. В данном методе тонкие пленки получают высокочастотным распылением стехиометрической мишени в атмосфере кислорода или какого-то инертного газа. При магнетронном напылении атомы мишени выбиваются высокоэнергетичными ионами и осаждаются на поверхности подложки. Пленка растет довольно медленно и для больших площадей подложки может иметь значительные вариации микроструктуры и состава.

На синтез пленок в данном случае влияют ток разряда, падающая и отраженная мощности, напряжение на мишени, температура подложки, давление рабочего газа. При ВЧ-распылении движущей силой конденсации пленки является конкурирующий рост кристаллитов с различной ориентацией осей. В отличие от других механизмов роста пленок, когда ориентирующее действие оказывает только кристаллическая структура подложки, в этом методе создаются такие условия, когда имеет место не только наращивание пленки, но и одновременное ее реиспарение (под действием вторичных электронов и ионов плазмы), при этом оно осуществляется с разной скоростью для различно ориентированных кристаллитов (эта скорость может отличаться в десятки раз).

Метод ВЧ-распыления обеспечивает определенное соотношение между скоростью поставки материала в зону конденсации пленки и регулируемой скорость его удаления. Этот метод позволяет вводить в химический состав

многокомпонентных пленок широкий набор различных изоморфных элементов, способных изменять электрофизические характеристики образцов.

Для улучшения характеристик пленок, полученных методом ВЧ-распыления, распространенной технологической операцией является высокотемпературный отжиг. Если осажденные при комнатной температуре пленки являются аморфными, то увеличение температуры отжига и давления при распылении ведет к улучшению кристалличности пленок. Высокотемпературный отжиг обычно производят в атмосфере кислорода. В этом случае на качество пленок оказывает влияние скорость нагрева в процессе отжига.

Данный метод является достаточно чистым и позволяет распылять практически любой материал. Метод позволяет в широких пределах варьировать состав и структуру напыляемых структур, условия их взаимодействия с подложкой и между собой.

Золь-гель технология.

В основе метода лежат реакции гидролиза и поликонденсации метал-лоорганических соединений, главным образом алкоголятов металлов, ведущие к образованию металл-кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последовательные структурные изменения по схеме раствор-золь-гель-оксид. Последовательно в данном методе осуществляются следующие действия. Прежде всего, создается раствор из органических соединений металлов с учетом необходимых соотношений элементов, которые входят в структуры вещества тонкой пленки. В качестве растворителя и химического модификатора тоже используется органическое вещество, например метилэтанол или ацетилацетон. Полученный предварительно раствор высушивается, т.е. нагревается до температуры около 100 °С, чтобы избавиться от молекул воды, входящих обычно в состав растворов.

На следующем этапе раствор, как правило, наносится на подложки (центрифугирование, окунание, распыление) и опять нагревается. На этом этапе происходит разложение и испарение органических составляющих. И на

последнем этапе полученные структуры подвергают высокотемпературному отжигу, где и происходит окончательное формирование необходимой фазы.

Среди других методов получения тонких сегнетоэлектрических пленок, золь-гель процесс отличается многочисленными преимуществами, такими как низкая температура приготовления растворов, достаточно высокий контроль качества композиционного состава, возможность приготовления пленок при большой площади покрытия, универсальное единообразие, что дает простой способ получение однородных пленок по своему составу. Следует отметить и низкую стоимость данного метода, который не связан с наличием высокотехнологичной аппаратуры. Однако при таком методе пленки получаются только поликристаллическими и, как показывают исследования, на ориентацию и свойства пленки оказывают влияние большее количество факторов. К ним относятся не только вид подложки и температура окончательно отжига, но и соотношение элементов в исходном растворе, температура и продолжительность промежуточных отжигов и т.д.

Существование спонтанной поляризации, направление которой можно изменять при воздействии внешнего электрического поля, является отличительным свойством сегнетоэлектриков. Процесс переключения поляризации происходит за счет образования и роста индуцированных полем доменов. В сегнетоэлектриках (в отличие от ферромагнетиков) при формировании доменной структуры принципиальную роль играют процессы экранирования деполяризующего поля, создаваемого связанными зарядами. При переключении поляризации медленные процессы объемного экранирования приводят к различным эффектам памяти, обусловленным формированием неоднородного макроскопического внутреннего поля (поля смещения).

Интерес к исследованию особенностей кинетики доменной структуры при циклическом переключении значительно возрос за последние годы, главным образом, благодаря созданию элемент�