4.2. Определение величин потенциальных барьеров в структуре Pt∕PZT(54∕46)∕Pt

В работе произведен расчет величины потенциального барьера на интерфейсе Pt∕PZT(54∕46) различными методами. Из вольт-амперных характеристик, экспериментально полученных при комнатной температуре, выполнен расчет величины потенциального барьера по методике, описанной в параграфе 2.3.

На рисунке 4.5 представлены результаты расчета величины φ_e, которая получена экстраполяцией логарифмической кривой ln(J∕(1-exp(-qWkT)))к V=0 в зависимости от температуры синтеза исследуемых пленок. На основании данного рисунка, какой-либо зависимости величин потенциального барьера в структуре Pt∕PZT(54∕46)∕Pt от температуры синтеза пленок не прослеживается: φ_e = 0,2 ± 0,1 эВ.

Рисунок 4.5. Зависимость величин потенциальных барьеров в структуре Pt∕PZT(54∕46)∕Pt от температуры синтеза пленок PZT(54∕46). φ_e^-определен из данных, полученных при приложении отрицательного напряжения к пленке, и соответствует нижнему интерфейсу PZT(54∕46)∕Pt, φ_e⁺соответствует верхнему интерфейсу PZT(54∕46)∕Pt.

В работе также произведен расчет величины потенциального барьера на интерфейсе Pt∕PZT(54∕46) из вольт-амперных характеристик пленок, полученных при различных температурах. На основании формул (2.17 - 2.19)

102 экспериментальные ВАХ построены в виде зависимостей ln(J∕Γ²) от 1∕Γпри различных приложенных напряжениях. На рисунке 4.6 приведены данные зависимости для пленки с температурой синтеза 540 °C.

Рисунок 4.6. Зависимость ln(J∕Γ²) от 1∕Γпри различных напряжениях смещения для пленки PZT(54∕46) с Т_СИНТ= 540 °C.

Зависимость от напряжения смещения величины константы Ричардсона А*, значение которой определено на основе графического представления ln(J∕Γ²) от 1∕Γ, представлена на рисунке 4.7,а. Для определения величины потенциального барьера при нулевом смещении построена зависимость Φ_appот U⁰’⁵(рисунок 4.7,б), отсечка которой по оси у и есть Φ⁰_b.Как видно из рисунка 4.7,б экстраполяция по первым пяти значения напряжения дает величину Φ⁰_b ≈ 0,25 эВ.

103

Рисунок 4.7. Зависимости А* от величины смещения (а) и Φ_appот U°’⁵(б) для пленки с температурой синтеза 540 °C.

Используя альтернативную форму представления Шоттки (2.20 - 2.21), построены графики ln(J∕T²) от U⁰’⁵для различных температур, которые отсекают на оси ординат величины F(T).Данные зависимости приведены на рисунке 4.8,а. Экстраполируя к нулю график F(T)от 1/T(рисунок 4.8,б), получаем величину потенциального барьера Φ⁰_b ≈ 0,22 эВ.

Рисунок 4.8. Графики для определения величины потенциального барьера на основе температурных зависимостей ВАХ для пленки с температурой синтеза 540 °C.

Для пленки с температурой синтеза 545 °C величина потенциального барьера, рассчитанная из графического представления ln(J∕T²) от 1/T, составила 0,28 эВ, а рассчитанная из зависимости ln(J∕T²) от U⁰’⁵составила 0,1 эВ.

двух методик практически совпадают. При Т_СИНТ= 550 °C Φ⁰_b ≈ 0,1 эВ, а при температуре синтеза 570 °C Φ⁰_b ≈ 0,17 эВ.

Еще одним способом расчета величины потенциального барьера в работе служил метод вольт-фарадных характеристик, детально описанный в параграфе 2.3. На рисунке 4.9 представлен график 1∕C²от обратного смещения для пленки с температурой синтеза 545 °C (обратным смещением считается та часть ВΦХ, на которой происходит уменьшение величины приложенного напряжения с некоторого максимального значения до нуля). Основным условием применимости данной полупроводниковой методики к сегнетоэлектрикам должно быть отсутствие процессов переполяризации и пробойных явлений в пленке. По этой причине выбирается то направление приложенного поля, при котором данные процессы не наблюдаются. Графически это выражается отсутствием экстремумов функции 1/С²(и_обр) при данной полярности смещения. Как видно из рисунка 4.9, график 1/С²(и_обр) проходит через минимум при приложении отрицательного напряжения к верхнему электроду. Следовательно, для анализа барьерных свойств нужно использовать правую часть графика, где к пленке приложено положительное смещение. О неприменимости данной методики для отрицательных значений и_обрговорит также тот факт, что при экстраполяции зависимости 1/С²(и_обр) к оси напряжения, прямая не пересекает предварительно ось ординат, то есть находится с той же стороны, что и сам график 1/С²(иобр).

Анализируя положительную часть графика 1/С²(и_обр) на рисунке 4.9 легко заметить, что данная зависимость демонстрирует поведение, близкое к линейному при внешнем приложенном напряжении от 10 до 4 В. При дальнейшем уменьшении напряжения линейная зависимость пропадает, что, по-видимому, связано с появлением процессов переполяризации в данном интервале напряжений.

2

Рисунок 4.9. График 1/С от U_o6pдля пленки с температурой синтеза 545 °C и_ИЗМ= 0,1 В, f = 1 кГц.

Аналогичный расчет был проведен и для пленок с другими температурами синтеза. На рисунке 4.10 приведена зависимость величины потенциального барьера на интерфейсе PZT(54∕46)-Pt - отсечки по графику 1/С²(и_обр), полученному при и_ИЗМ= 0,1 В и f = 1 кГц, от температуры синтеза исследуемых пленок. Данная зависимость в целом похожа на параболическую, демонстрируя максимум при температуре 555 °C.

Рисунок 4.10. Зависимость величины φ_bот температуры синтеза пленок PZT(54/46). Величина φ_bопределена на основе ВФХ, полученных при частоте f = 1 кГц, амплитуде измерительного сигнала и_ИЗМ= 0,1 В. Отрицательные значения φ_bозначают, что экстраполяция к оси абсцисс не пересекает предварительно ось ординат.

Для пленки с температурой синтеза 570 °C данная методика расчета величины потенциального барьера, по-видимому, неприемлема, поскольку для обеих полярностей приложенного напряжения экстраполяция зависимости 1/С²(и_обр) к оси напряжения не пересекает предварительно ось ординат. Данные расчета также приведены на рисунке 4.10, однако обозначены как отрицательные. Следует отметить, что для пленки с этой температурой синтеза наиболее характерны вольт-амперные характеристики, которые носят в целом диодный характер, однако с ростом приложенного напряжения в них наблюдается смена пропускного и запорного направлений.

Как уже было отмечено, поведение вольт-фарадных характеристик зависит от цикла измерения. В то же время отсечка, по которой вычислялась величина барьера, с каждым последующим циклом не меняет своего значения.

Рисунок 4.11. Зависимость 1/С²от и_обр для пленки с температурой синтеза 545 °C иИЗМ = 0,1 В, f = 1 кГц.

В параграфе 2.3 отмечено, что спонтанная поляризация вносит вклад в величину потенциального барьера на интерфейсе металл-сегнетоэлектрик.

На основе экспериментальных данных была рассчитана величина

поляризационного слагаемого

'₀p^εst в уравнении (2.25). За

значение Pв данном выражении взяли величину спонтанной поляризации из литературы [101], которая для пленок PZT порядка 100 мкКл-см^-2. Значение ε_op, определенное из ВАХ при различных температурах, считали равным 6. Величина ε_stопределена с учетом идеи, высказанной в параграфе 3.2, суть которой состоит в снижении влияния доменного механизма на диэлектрические свойства пленок при уменьшении величины измерительного напряжения, увеличения его частоты и при приложении к пленке больших смещающих полей. Поэтому значение ε_stиспользовали равным 200 - это средняя величина диэлектрической проницаемости при частоте 1 МГц и величине измерительного сигнала 40 мВ при больших (200 кВ-см^-1) смещающих полях. Данные значения позволили оценить вклад в высоту потенциального барьера поляризационного слагаемого, равного приблизительно 0,4 эВ. Этим, по-видимому, и обусловлено различие в величинах потенциальных барьеров на интерфейсах PZT(54∕46)-Pt, рассчитанных из ВАХ и ВФХ, то есть значение φ_b, полученное из ВФХ, учитывает вклад спонтанной поляризации, а φ_b, определенное из ВАХ, нет.

4.3.