Вольт-фарадные характеристики пленок PZT

C-V,или вольт-фарадные характеристики (ВФХ) - зависимости емкости от приложенного напряжения смещения - часто используют в

качестве неразрушающего метода исследования конденсаторных структур, содержащих слои объемного заряда и потенциальные барьеры на границах раздела.

Процентное отношение Zr/Ti является одним из важнейших факторов, влияющим на все электрофизические свойства пленок PZT, в том числе, и на их вольт-фарадные характеристики. На рисунке 1.6 приведены ВФХ пленок PZT в зависимости от состава и способа получения (золь-гель метод, металлоорганическое разложение, импульсное лазерное напыление), которые

обсуждаются в работе [28].

Рисунок 1.6. Вольт-фарадные характеристики 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].

Представленные на данных рисунках ВФХ ассиметричны, несмотря на то, что верхние и нижние электроды изготовлены из одинаковых металлов. Как видно из данных графиков, наибольшей емкостью обладает поликристаллический образец PZT55/45 с Pt электродами и составом, близким к морфотропной фазовой границе. Для эпитаксиального образца

PZT20/80 ВФХ является наиболее симметричной, а максимумы емкости показывают острые пики.

Авторами [28] на основе C-Vхарактеристик определены значения концентрации дырок p(T),«кажущегося» встроенного потенциала V_bi', эффективной плотности заряда в обедненном слое N_eff,толщины интерфейсного слоя δ.

Таблица 3. Величины, вычисленные для пленок PZT различного состава [28].

Значения концентрации дырок в зависимости от приложенного напряжения были рассчитаны авторами [28] по формуле:

где q - заряд электрона, ε₀- электрическая постоянная, С - емкость, приходящаяся на единицу площади (Ф-м^-2), V - напряжение. Полученные значения для случаев соотношения Zr/Ti: 92/8 и 20/80 представлены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Концентрация дырок, рассчитанная по формуле (1.1) на основе ВФХ для

образцов PZT: (а) - соотношение Zr/Ti = 92/8, (б) - соотношение Zr/Ti = 20/80 [28].

В работе [29] рассмотрено влияние микроструктуры на вольт-фарадные

характеристики пленок PZT.

SrRuO₃(SRO) электродами. Таким образом, обе МСМ структуры,

номинально, симметричны.

Рисунок 1.8. C-Vхарактеристики эпитаксиальной (а) и поликристаллической (б) пленок PZT40/60 примерно одинаковой толщины [29].

В случае эпитаксиальных пленок переключение отмечено острыми пиками величины емкости. Оно сопровождается резким изменением значения емкости при переполяризации (E≈E_cr, где E- поле смещения, E_cr- коэрцитивное поле). В случае поликристаллических пленок переключение сопровождается широкими пиками, без резких изменений емкости в зависимости от приложенного напряжения. Этот факт авторы [29] объясняют наличием межзеренных границ, которые могут давать дополнительный вклад в поляризационные заряды.

В работе [42] исследуется температурная зависимость ВФХ пленок PbZr₀.₄Ti₀.₆O₃толщиной 144 нм, полученных золь-гель методом. В качестве нижнего электрода использовалась [111]-ориентированная Pt, верхний электрод - Ir∕IrO₂. На рисунке 1.9 представлены вольт-фарадные

25 характеристики, полученные при амплитуде

измерительного сигнала 25 мВ и частоте 100 кГц для различных температур. Из рисунка 1.9 видно, что с ростом температуры емкость данных структур

увеличивается, и максимумы ВФХ сближаются. Также следует отметить, что ВФХ практически симметричны, несмотря на то, что электроды разные.

Вольт-фарадные характеристики также зависят от частоты

измерительного сигнала. На рисунке 1.10 представлены ВФХ пленок PZT, полученные авторами [43] на разных частотах. Как видно из данного графика, с увеличением частоты емкость данных структур уменьшается. Авторы отмечают, что форма ВФХ практически не зависит от того, в каком направлении происходит обход петли. Внешний вид петель типа «бабочки» имеет место для всех частот. Авторами замечено, что пики

емкости как для

положительного, так и для

26 отрицательного потенциала можно наблюдать на низких частотах, т.е. до 10 кГц. Эти пики превращаются в скачкообразное падение емкости на высоких частотах.

1.3.3.