Петли диэлектрического гистерезиса пленок PZT

Как известно, основные характеристики сегнетоэлектриков можно определить на основе данных, полученных из петель диэлектрического гистерезиса. К таким характеристикам относятся величины спонтанной и остаточной поляризации, коэрцитивного поля и наличие внутренних полей.

Рассмотрим вначале влияние процентного отношения Zr/Ti на характеристики петель диэлектрического гистерезиса. На рисунке 1.3

представлены результаты, полученные в работе [28].

Рисунок 1.3. Петли диэлектрического гистерезиса для пленок PZT: (а) - полученных золь-гель методом с соотношением Zr/Ti 92/8, 65/35, 55/45; (б) - полученных методом

металлорганического разложения и методом импульсного лазерного напыления с соотношением Zr/Ti 30/70 и 20/80 соответственно [28].

Как видно из представленных зависимостей, данные пленки имеют разные сегнетоэлектрические свойства. Формы петли отличаются от образца к образцу. Вероятно, это связано не только с составом пленки, но и со способом их изготовления. Значения поляризации разбросаны почти на порядок. Количественные результаты по поведению поляризации и диэлектрической проницаемости в зависимости от состава пленок представлены в таблице 1.

Таблица 1. Электрофизические свойства исследуемых пленок PZT. P_s- поляризация насыщения, ε_st- статическая диэлектрическая проницаемость [28].

Наибольшее значение поляризации насыщения наблюдается в эпитаксиальном образце PZT20∕80, который обладает практически прямоугольной петлей гистерезиса.

Детально влияние структуры пленок на параметры петель диэлектрического гистерезиса рассмотрены в работе [29]. В ней обсуждаются петли диэлектрического гистерезиса поликристаллических и эпитаксиальных пленок PZT, полученные квазистатическим и динамическим методами. Измерения проводились в следующих условиях: на частоте 1 кГц при треугольной форме измерительного сигнала в динамическом режиме и при 100 Гц с использованием временной задержки в 1 секунду с треугольными импульсами напряжения для квазистатического режима. На рисунке 1.4 показаны петли, близкие по форме к прямоугольным в случае эпитаксиальной пленки (рисунок 1.4,а), а для поликристаллической пленки (рисунок 1.4,б) петля вытянута вдоль оси абсцисс.

18

Рисунок 1.4. Петли диэлектрического гистерезиса для случаев эпитаксиальной пленки PZT (а), и поликристаллической (б). Пленки имеют одинаковый состав и примерно одинаковые толщины. Черным цветом изображены петли гистерезиса, записанные в динамическом режиме, красным - в квазистатическом режиме [29].

Авторы [29] делают вывод о том, что переключение происходит гораздо быстрее в эпитаксиальной пленке. Переключение включает в себя три этапа: зарождение сегнетоэлектрических доменов с противоположным направлением поляризации, рост сегнетоэлектрических доменов с поляризацией, параллельной приложенному электрическому полю [30 - 32], компенсацию поля деполяризации, которая происходит только после переключения [33]. Модели, предложенные для описания процесса переключения, рассматривают только первые два механизма, которые могут быть очень быстрыми (время переключения порядка наносекунд). Тем не менее, третий этап - единственный, который определяет скорость переключения, потому что компенсация деполяризующего поля является медленным процессом.

поля осуществляется быстро, то петля гистерезиса имеет прямоугольную форму. Она может иметь место для эпитаксиальных пленок, имеющих большие концентрации свободных носителей (уменьшенное сопротивление ρ) и меньшее значение статической диэлектрической проницаемости ε_stпо сравнению с поликристаллическими пленками. Для компенсации деполяризующего поля, возникающего при переключении, в области малых внешних приложенных полей требуется малое время. В области больших полей для компенсации деполяризующего поля, как и в случае поликристаллической пленки, требуется большее время. Этот факт может быть объяснен большим количеством структурных дефектов, особенно границ зерен, действующих как центры захвата-рассеяния для свободных носителей, таким образом, уменьшающих их концентрацию и подвижность. Следствием этого является более высокое сопротивление для поликристаллических пленок по сравнению с высококачественными эпитаксиальными, в которых могут существовать только точечные дефекты. Они могут привести к снижению удельного сопротивления, если выступают в качестве доноров или акцепторов в сегнетоэлектрическом материале. Другой эффект, связанный с наличием границ зерен в поликристаллических пленках, - увеличение статической диэлектрической проницаемости. Таким образом, увеличение удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости приводит к увеличению времени отклика поликристаллической пленки на любое изменение в поляризованном состоянии. Предполагается, что сопротивление внешней цепи гораздо меньше, чем у МСМ структуры, и что емкость внешней цепи, подключенная параллельно к емкости МСМ структуры, имеет незначительную величину.

Также авторы [29] делают вывод о том, что коэрцитивное поле меньше в случае эпитаксиальной пленки, а также, что отсутствие границ зерен является выгодным для переключения поляризации в том смысле, что они не препятствуют движению сегнетоэлектрических доменов.

Влиянием микроструктуры авторы [29] объясняют более высокую остаточную поляризацию для эпитаксиальной пленки. Медленная компенсация деполяризующего поля в поликристаллической пленке приводит к так называемому явлению обратного переключения, происходящего в широкой области напряжений [34, 35]. Окончательным следствием этого является удлинение петли гистерезиса по оси напряжения и большая разница между остаточной поляризацией и поляризацией насыщения. Как только приложенное внешнее поле снимается, большая часть поляризации становится ориентированной случайным образом за счет локальных полей, создаваемых заряженными дефектами, а также из-за неполной компенсации деполяризующего поля. Эти явления отсутствуют в эпитаксиальной пленке, где поляризация насыщения практически равна остаточной поляризации, что и приводит к прямоугольной форме петли гистерезиса.

В работах [36, .37] обсуждается влияние толщины пленок PZT, полученных золь-гель методом, на свойства петель диэлектрического гистерезиса. На рисунке 1.5 изображены петли диэлектрического гистерезиса для трех пленок разной толщины (95, 158 и 316 нм).

Рисунок 1.5. Зависимости остаточной поляризации Р от напряженности электрического поля Е для пленок PZT толщиной 95, 316 и 158 нм (кривые 1, 2 и 3 соответственно) [36].

В таблице 2 представлены основные характеристики петель гистерезиса пленок PZT

различной толщины (d):

остаточная поляризация P_r, коэрцитивное напряжение U_crи коэрцитивное поле E_cr,крутизна петель dP/dUи dP/dE,

максимальное значение

дифференциальной диэлектрической проницаемости 8_д._макс и диэлектрическая

проницаемость насыщения 8_нас, смещение среднего значения остаточной поляризации относительно оси напряженности электрического поля AP_r, и_см._а смещение петли относительно начала координат.

Таблица 2. Характеристики петель диэлектрического гистерезиса, полученные в работе [36].

Авторы [36] отмечают, что с уменьшением толщины пленки существенно уменьшаются остаточная поляризация и крутизна петель гистерезиса, оцениваемая по значениям дифференциальной диэлектрической проницаемости 8_д._максили параметром dP/dEпри значении переключаемой поляризации, равном нулю. При этом напряженность коэрцитивного поля существенно увеличивается (почти в два раза). Подобные результаты были неоднократно получены другими авторами и обычно интерпретируются в рамках модели нарушенного слоя на границе раздела сегнетоэлектрика с металлом [38 - 40]. Данный слой может быть представлен в виде диэлектрической прослойки с фиксированным (непереключаемым) зарядом или как барьер Шоттки с областью пространственного заряда [40, 41]. С уменьшением толщины пленки PZT влияние нарушенных слоев на процессы переключения поляризации возрастает [36]. На основе данных, приведенных в таблице 2, авторы [36] делают вывод, о том что с уменьшением толщины пленки величина AP_rсущественно возрастает, в то время как напряжение смещения петли гистерезиса и_см-_сгне имеет закономерной зависимости от толщины пленки.

1.3.2.