Диссертация (1090573), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург. Исследования образцовметодом электронной просвечивающей микроскопии выполнены приучастии соискателя в Институте кристаллографии им. А.В. ШубниковаРАН.Дляопределенияисследоваласьфункциональностипереключаемостьполученныхдиэлектрическойобразцовполяризацииотожженных областей методом атомно-силовой микроскопии в пьезомоде;эти исследования были выполнены при участии соискателя в Национальномуниверситете МИСиС и Университете г. Авейро, Португалия.Моделированиелазерногонагревапроводилосьсиспользованием коммерческого программного пакета «COMSOL». Расчеткинетикипроцессакристаллизациипроводилсясиспользованиемкристаллизационно-деформационно-термической модели В.И.

Емельянова(crystallization-deformation-thermal (CDT)) [1,2].На защиту выносятся следующие положения.1.Пределы по плотности мощности излучения с длиной волны 800нм и длительностью импульса 100 фс, обеспечивающие недеструктивную7кристаллизациютонкопленочногопирохлорногоPZT-прекурсоравсегнетоэлектрическую фазу, составляют 0.9 МВт/см2<W<1.2 МВт/см2, то жес длиной волны 1040 нм – 0.1 МВт/см2<W<0.2 МВт/см2; меньшая плотностьмощностинеобеспечиваеткристаллизацию,большаяприводиткдеструктивным изменениям платинизированной подложки;2.Пределы по времени отжига с использованием излучения сдлиной волны 800 нм и длительностью импульса 100 фс, обеспечивающиенедеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорного PZTпрекурсора в сегнетоэлектрическую фазу, составляют 0.3 с <t<5 с, то же сдлиной волны 1040 нм – 5-20 мин.3.Установлена максимальная величина нелинейно-оптическойвосприимчивостиотожженноймикроструктуры98±5пм/В,чтосоответствует экспериментальным значениям для этой величины в пленке,отожженной изотермически в печи 80±5 пм/В.4.Минимально достигнутый латеральный размер переключаемойперовскитной микроструктуры, полученной методом фемтосекундноголазерного отжига составляет 3 мкм; без переключения – 0.3 мкм;установлена «чашеобразная» геометрия отожженных областей.5.Наиболее вероятным механизмом является механизм взрывнойкристаллизации.При сверхмалых временах отжига (до 1 с) процесскристаллизации проходит двухстадийно с переходом от взрывной всамоподдерживающуюся при прекращении облучения.Новизна первого и второго защищаемых положений состоит вэкспериментальнойфемтосекунднымреализациилазернымотжигаизлучениеммикроструктурыближнегоИКPZTдиапазона,определении параметров лазерного излучения (длины волны, плотностимощности) и длительности отжига, обеспечивающих недеструктивнуюкристаллизацию в перовскитную фазу.Новизна третьего защищаемого положения состоит в определениилокального(спространственнымразрешением80.4мкм)значениянелинейнойвосприимчивостисегнетоэлектрическихструктурPZT,отожженных фемтосекундным лазерным излучением.Новизна четвертого защищаемого положения состоит в получениилокальных сегнетоэлектрических областей в пирохлорной матрицеслатеральным размером, существенно меньшим, чем размер, определяемыйдифракционным пределом.Новизна пятого защищаемого положения заключается в выявлении наоснове кинетики второй гармоники механизмов кристаллизации, вчастности, обнаружение самоподдерживающейся кристаллизации.Экспериментальная реализация двулучевой схемы фемтосекундноголазерного отжига с одновременной диагностикой процесса кристаллизациипо генерации второй гармоники демонстрирует возможность выявленияразличных типов кристаллизации на основе кинетики интенсивности второйгармоники.Предложенная модель взрывной кристаллизации при лазерномотжиге, обнаруженной ранее только в кремнии, качественно объясняеткинетику образования перовскитной фазы, что важно как для описанияисследуемого процесса, так и для обобщения модели.Практическаязначимостьзащищаемыхположенийидругихрезультатов работы может быть сформулирована следующим образом:1.Показанавозможностьформированиясубмикрометровыхсегнетоэлектрических структур на платинизированной подложке путем ихотжига фемтосекундным лазерным излучением ближнего ИК диапазона, чтопредставляет интерес для формирования многослойных интегральных схем,длякоторыхнежелателенобщийнагревдотемпературыотжигасегнетоэлектрика, составляющей порядка 600-700оС.

Показано, что качествоотожженныхмикроструктурсоответствуетотожженных пленок.9качествуизотермически2.Предложена оптическая схема, позволяющая одновременнопроизводить отжиг и диагностировать его кинетику по временнойзависимости интенсивности оптической второй гармоники.3.Показано,чтопревышениенелинейнойвосприимчивостизначения 50 пм/В свидетельствует об образовании сегнетоэлектрическойфазы, локально переключаемой электрическим полем до 10 В.4.Показанадостаточностьсовокупностиметодовнелинейно-оптической in-situ и ex-situ диагностики для определения качествасегнетоэлектрических микроструктур.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и спискацитируемой литературы, содержащего 117 библиографических ссылок.Общий объем диссертации составляет 121 страницу. Работа содержит 37рисунков.Содержание работыПервая глава является обзорной и посвящена описанию методов отжига сегнетоэлектрических пленок с уделением особого внимания лазерному отжигу, методов диагностики сегнетоэлектрических микроструктур, атакже теоретическим моделям, описывающим процессы лазерного отжига.Вторая глава посвящена описанию образцов, экспериментальныхметодик,использованныхдляотжигасегнетоэлектрическихмикроструктур, а также для исследования их свойств и структуры.Третьяглавапосвященаисследованиюкинетикипроцессафемтосекундного лазерного отжига.Четвертаяглавапосвященаисследованиюмикроструктурыисегнетоэлектрических свойств отожженных структур.Впятойглавеприведенырезультатымоделированияпространственного распределения температурного профиля пленки PZT впроцессефемтосекундноголазерногоотжигаитеоретическогомоделирования процесса отжига.В заключение диссертации перечислены основные результаты.10ГЛАВА 1 ТОНКИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ ЦИРКОНАТАТИТАНАТА СВИНЦА (PZT): ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1.

Тонкие сегнетоэлектрические пленки PZTСегнетоэлектрический цирконат-титанат свинца PbZr1-xTixO3 (PZT),является твердым раствором PbTiO3 и PbZrO3. Наряду со многимисегнетоэлектриками, PZT имеет структуру перовскита ABO3 , где , в данномслучае, позицию A занимают ионы Pb2+ , а позицию B – ионы Ti4+ и Zr4+.Свойства PZT сильно зависят от доли PbTiO3 (и, соответственно,PbZrO3) в твердом растворе. На рисунке 1 приведена фазовая диаграммаPbTiO3 -PbZrO3.Пленка сразу после осаждения находится в аморфном состоянии.

Припоследующем отжиге, происходит кристаллизация в фазу перовскита,проходя через промежуточную фазу пирохлора.Рисунок 1. Фазоваядиаграммасегнетоэлектрическихтвердыхрастворов Pb(Zr1-xTix)O3 [3]В системе твердых растворов PZT наиболее интересной областью11является диапазон концентраций Zr(Ti) вблизи морфотропной фазовойграницы (МФГ) x≈0.47, разделяющей ромбоэдрическую (при высокомсодержании ионов циркония) и тетрагональную (при высоком содержанииионов титана) модификации сегнетоэлектрической фазы. Хорошо известно,что в области МФГ многие физические свойства претерпевают экстремумы.1.1.1. Применение тонких пленок PZT в устройствах микроэлектроникиОсновной интерес к изучению тонкопленочных сегнетоэлектриковизначально был обусловлен возможностью их применения в качествеэлементов статической и динамической памяти [4-12].

Развитие исовершенствованиетехнологийполучениясегнетоэлектрическихматериалов и снижение влияния эффекта старения на их функциональныесвойства позволило значительно расширить как список актуальныхсегнетоэлектрическихвозможностиихматериаловдляпрактическогомикроэлектроники,применения.таки«Интегрированныесегнетоэлектрики» находят применение в микроэлектромеханическихсистемах и устройствах, электрооптических устройствах различногоназначения,устройствахСВЧ-электроникиидр.Исследования,проведенные в последние годы, обнаружили сегнетоэлектрические ипьезоэлектрические свойства у целого ряда биологических объектов(например, [13]), что привело к началу исследований и разработкепринципиально новых биосовместимых устройств.Несмотря на появление новых перспективных сегнетоэлектриков,одним из основных материалов для большинства применений и сегодняявляются твердые растворы цирконата-титаната свинца Pb(Zr,Ti)O3 (PZT),синтез и базовые исследования которых были осуществлены еще в начале1950-х годов [14,15].

Широкое применение керамик PZT связано с тем, чтоони обладают рядом серьезных преимуществ по сравнению с многимидругими сегнетоэлектрическими материалами. В частности, пленки PZTнанометровой толщины позволяют осуществлять переключение состояния12сегнетоэлектрической поляризации при помощи малых электрическихполей. Технология их нанесения на полупроводниковые подложки,совместимые с основными устройствами микроэлектроники, являются нетолько разнообразными, но и сравнительно дешевыми, пригодными длякоммерческого производства.

Более того, соединения PZT сохраняют своисегнетоэлектрические свойства в течении длительного (10 лет) времени иобладают высокой радиационной стойкостью.Прямойиобратныйзаключающийсявмеханическихнапряженийпьезоэлектрическийвозникновениимикроэлектромеханических(иполяризациинаоборот),системах(МЭМС).эффектподвPZT,воздействиемиспользуетсяДанныевустройстваобъединяют в себе традиционные интегральные полупроводниковые схемыимикромеханическиекомпоненты,такиекаксенсоры[16,17],акселерометры [18], акустические датчики, деформируемые зеркала [19,20],микронасосы [21,22], шаговые двигатели, переключатели [23,24] и др.Возникновение электрических зарядов на поверхности материала приегоравномерномнагревеилиохлаждении(пироэффект)находитприменение в приемниках ИК излучения и ИК сенсорах [25,26].Переключениеполяризацииприприложениивнешнегоэлектрического поля – свойство сегнетоэлектриков, лежащее в основесозданияэлементовэнергонезависимойпамяти.Принципзаписиинформации основан на изменении (переключении) вектора поляризацииотдельного микродомена при приложении поля.

Характеристики

Список файлов диссертации