4.1. Механизмы проводимости пленок PZT(54∕46)

На основе экспериментально полученных вольт-амперных характеристик, наиболее характерные из которых приведены в параграфе 3.1, для исследуемых пленок проведен анализ механизмов проводимости, основные результаты которого обсуждаются в данном параграфе.

Было показано, что в большинстве случаев в области малых полей (до 10 кВ-см^-1), а иногда и в большем диапазоне (для пленки с Т_СИНТ= 540 °C до Е= ± 70 кВ-см^-1), полученные ВАХ носят характер, близкий к линейному. Такая зависимость силы тока от приложенного электрического напряжения свидетельствует о преимущественно омическом механизме проводимости.

В ряде случаев для пленок PZT(54/46) с температурой синтеза 545 °C вольт-амперные характеристики в полях напряженностью до 15 кВ-см^-1 можно описать на основе токов, ограниченных пространственным зарядом. Известно [97], что эти токи описываются квадратичным законом Мотта:

где J- плотность тока, τ_μ- максвелловское время релаксации, σ₀- удельная электропроводность в объеме материала в отсутствие инжекции, μ - подвижность носителей заряда, L- толщина образца. На рисунке 4.1 представлена зависимость силы тока от квадрата приложенного напряжения, полученная для пленки с температурой синтеза 545 °C. Линейность этой зависимости свидетельствует о преобладающем вкладе токов, ограниченных пространственным зарядом, в диапазоне приложенных напряжений (Е = ± 15 кВ-см^-1).

Рисунок 4.1. Зависимость тока от квадрата напряжения для пленки PZT(54∕46) с

температурой синтеза 545 °C. К верхнему электроду приложен: 1 - отрицательный, 2 - положительный потенциал.

В области больших электрических полей наиболее вероятным механизмом проводимости является эмиссия Пула-Френкеля, согласно которой сильное электрическое поле, приложенное к образцу, изменяет вид потенциальных барьеров для носителей заряда между атомами кристаллической решетки [98]. Это приводит к увеличению количества электронов в образце за счет преодоления потенциального барьера. На рисунке 4.2 представлены зависимости силы тока от приложенного напряжения разной полярности в представлении Пула-Френкеля для пленок с температурами синтеза 545 и 570 °C. Данные зависимости характеризуются линейными участками, что свидетельствует о существенном вкладе в электрический ток носителей заряда, возникающих за счет эмиссии Пула- Френкеля.

Рисунок 4.2. ВАХ для пленок PZT(54∕46) в представлении Пула-Френкеля: (а) -

Тсинт = 545 °C, (б) - Тсинт= 570 °C. К верхнему электроду приложен: 1 - положительный, 2 - отрицательный потенциал.

Для анализа температурной зависимости проводимости использовались представления Пула-Френкеля или Шоттки. На рисунке 4.3 экспериментальные результаты представлены в виде зависимостей ln(∕∕E) от 1/Т (представление Пула-Френкеля) для различных значений напряженности электрического поля, приложенного к пленке. Эти зависимости обнаруживают близкое к линейному поведение, что может свидетельствовать об увеличении проводимости за счет роста концентрации носителей заряда.

Рисунок 4.3. Вольт-амперная характеристика для пленки PZT(54/46) с температурой синтеза 540 °C в представлении Пула-Френкеля. Поле напряженностью 35 кВ-см^-1(1) и 11 кВ-см^-1(2) направлено от верхнего электрода к подложке; поле напряженностью 11 кВ-см^-1(3) и 35 кВ-см^-1(4) направлено от подложки к верхнему электроду.

Зависимости, построенные в представлении Шоттки, также имеют вид, близкий к линейному.

Рисунок 4.4. ВАХ для пленки PZT(54∕46) с температурой синтеза 540 °C в представлении Шоттки, полученные при различных температурах.

На основе экспериментально полученных температурных зависимостей токов утечки с использованием соотношений (1.14) и (1.15) произведен расчет высокочастотной диэлектрической проницаемости. Значение ε_r, рассчитанное согласно (1.14), составило 1,5, тогда как аналогичная величина, определенная на основе уравнения (1.15), приблизительно равна 5,6. Последнее значение согласуется с результатами исследования оптических характеристик пленок PZT, согласно которым показатель преломления n = _y[εTлежит в пределах от 2,50 до 2,56 [50, 99, 100]. Это также показывает, что доминирующим механизмом проводимости для исследуемых пленок в интервале полей от 10 до 70 кВ-см^-1является эмиссия Пула-Френкеля. В работе произведен расчет подвижности носителей μ, величина которой для исследуемых образцов составила (2,9 ± 0,5) ∙10^-2см²-В^-1- с^-1, что согласуется с результатами, полученными для пленок PZT, сформированных методом ВЧ магнетронного распыления [44].