Диссертация (1091440), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Современные методы осаждения позволяют получать14нанометровые слои и гетероструктуры высокого качества с минимальнымчислом дефектов. В таких структурах величина механического напряжениябудетопределятьсяколичествомитолщинойслоев,атакжекристаллографическими характеристиками смежных материалов. Сочетание иварьирование этих параметров составляют основу методов инженериинапряжений, которые открывают новые возможности для мониторинга иуправления сегнетоэлектрическими свойствами, а также для разработкиматериалов с заданными свойствами [7].Рисунок 1. Схематическое изображение механизмов растяжения исжатия эпитаксиальной пленки, вызванных влиянием подложки.Стабильностьлюбойрешетки,состоящейизпротивоположнозаряженных частиц (т.е.
катионов и анионов), обусловлена взаимодействиеммеждусоседнимиэлектроннымиоблаками.Всегнетоэлектрическихматериалах эти взаимодействия приводят к образованию потенциала сдвойной ямой [5]. Например, в сегнетоэлектриках, таких как PbTiO3 и BaTiO3,орбитальнаягибридизацияTi 3d-O 2pнеобходимадлястабилизацииискаженной сегнетоэлектрической фазы [6]. Из-за сильной связи междупараметром электронного порядка (поляризации), зарядом и степенямисвободы решетки в сегнетоэлектриках изменение электрических и упругихграничных условий может оказывать прямое влияние на сегнетоэлектрические15свойства. Хотя сегнетоэлектрические оксиды являются хрупкими и могутдеформироваться или трескаться при умеренных растягивающих илисжимающих напряжениях (~ 0,1%) [7,8], их тонкопленочные аналогиспособны выдерживать двухосные деформации до 3%.
На сегодняшний деньмаксимальные растягивающие деформации достигнуты в пленке SrMnO3 исоставляют3,78%Эпитаксиальные[9,10].напряженияпозволяютисследователям имитировать условия, наблюдаемые в глубине Земли [5],потому что один процент деформации пленки эквивалентен применениюдавления 1-10 ГПа или глубине 30-40 км ниже поверхности Земли.Основные1.1.1.факторы,влияющиенаинтерфейсноевзаимодействие в тонких сегнетоэлектрических пленках.Одним из параметров, влияющих на эпитаксиальную деформацию,является правильно подобранная подложка, с помощью которой можнополучить широкий диапазон растягивающих и сжимающих напряжений.
Восновном исследователи занимаются изучением эпитаксиального ростапленок, ориентированных в направлении (001). Однако изменение ориентациипленки меняет направление приложения деформации. Изучение (111)ориентированных пленок PbZr0.2Ti0.8O3 выявило несколько интересныхэффектов[11–13].(111)-ориентированныепленкидемонстрируютформирование высокоплотных нанометровых 90-градусных доменных стеноки повышенную диэлектрическую проницаемость.
Последующие исследованиявыявили замороженный вклад в диэлектрическую проницаемость, до 80 разпревышающий объемный отклик, возникающий из-за конечной шириныдоменных стенок.Помимовлияниякристаллографическогосреза,навеличинунапряжения пленки также влияет количество слоев и химический составгетероструктуры. Как было показано в работе [14], мультислойная структураBaTiO3/SrTiO3/CaTiO3, в которой когерентно деформируется слой BaTiO3, иинтерфейсноевзаимодействиевызывает1650%-ноеусилениезначенияостаточной поляризации, относительно аналогично выращенного чистогоBaTiO3 [15,16].
Свойства тонкой пленки BaTiO3, выращенной на трехмонокристаллических подложках DyScO3(110), GdScO3(110), и NdScO3(110),были изучены в работе [17]. Максимальное эпитаксиальное напряжение,наблюдалось в пленке BaTiO3 выращенной на подложке GdScO3(110). Приэтом эпитаксиальное напряжение приводит к возникновению дефектов,которые обладают как электрическими, так и упругими дипольнымимоментами. Как раз через эти моменты возможна связь поляризационной иэпитаксиальной деформации [18].
На рисунке 2 продемонстрированоповышение точки фазового перехода в пленке BaTiO3 более чем на 800 °С.Рисунок 2. Температурная зависимость эпитаксиально напряженнойпленкиBaTiO3,демонстрирующаяповышеннуютемпературусегнетоэлектрического перехода (Tc) [17].Расчет из первых принципов продемонстрировал новый путь квозникновениюспонтаннойполяризации,показав,чтокислородно-октаэдрические вращения в перовскитных (и связанных) структурах могутиндуцировать сегнетоэлектричество [19]. В работе [19] было показано, чтонекоторыестатическиевращательные17искаженияоктаэдровможнорассматривать как комбинацию двух неполярных оптических мод с разнымисимметриями,что,всвоюочередь,можетиндуцироватьсегнетоэлектрическую поляризацию. Основываясь на этом наблюдении,исследователи предложили другие пути создания сегнетоэлектричества, в томчисле механизм, в котором спонтанная и переключаемая поляризациявозникают из-за дестабилизации антисегнетоэлектричества.
Это происходит врезультате вращений октаэдров и наличия упорядоченных катионныхподрешеток [20]. Аналогичным образом возрастает интерес к использованиюсходства симметрии, химического состава и октаэдрического вращения наинтерфейсе для возможности управления сегнетоэлектрическим порядком.Например,вгетероструктурахBiFeO3/La0.7Sr0.3MnO3направлениеполяризации вне плоскости можно регулировать просто путем изменениястехиометрического состава слоя La0.7Sr0.3MnO3 от La0.7Sr0.3O до MnO2 [21–24].1.1.2.Применениеэпитаксиальнымисегнетоэлектрическихнапряжениямивустройствахпленокмикро-синаноэлектроники.В сегнетоэлектрической памяти произвольного доступа (FeRAM)хранитсяинформация,использующаяспонтаннуюполяризациюсегнетоэлектрических материалов.
Внешний импульс напряжения можетпереключать поляризацию между двумя устойчивыми направлениями,представляющими значения «0» и «1».Возможность создания сегнетоэлектрической памяти на основефотовольтаического эффекта в тонкой пленке BiFeO3 обсуждалась в работе[25].18Рисунок 3. (а) Типичная петля гистерезиса P-V (черная линия),полученная в тонкой пленке BiFeO3 при комнатной температуре сиспользованием треугольной волны 1 кГц.
(б) Кривые вольт-ампернойхарактеристики полученной пленки при освещении и без освещения:серая линия - в темноте, красная линия - при свете с поляризацией«вниз», синяя линия - при свете с поляризацией «вверх» [25].На верхней панели рисунка 3 показана типичная сегнетоэлектрическаяпетля с коэрцитивным напряжением около 1,3В [25], при этом авторы работыутверждали, что величину коэрцитивного поля можно варьировать величинойэпитаксиальногонапряжения.Приложенноенапряжениеназываетсяположительным (отрицательным), если положительное (отрицательное)смещение подается на верхний электрод.
После поляризации «вверх» («вниз»)путем приложения импульса напряжения -3В(+3В), вольт-амперные кривыедемонстрируют четкий фотогальванический эффект при свете (источниксвета: галогенная лампа, плотность энергии: 20 мВт см-2). Как показано на19рис. 3(б), Voc составляет 0,21 В, а Isc составляет 0,15 пA для поляризационногосостояния «вверх» и 0,13 В/0,15 пA для поляризационного состояния «вниз».Таким образом, можно определить направление поляризации (хранимуюинформацию) путем измерения фотонапряжения или фототока, и этот процессявляется неразрушающим. Переключаемый характер фотоэлектрическогоэффекта означает, что он связан со спонтанной поляризацией BiFeO3.Рисунок 4. Шестнадцати-элементный прототип памяти, основанный наархитектуре «crossbar».
(а) Топография устройства с заданнымнаправлением поляризации в каждой ячейке. Области, отмеченные нарисунке синим цветом, соответствуют положительному направлениювектораполяризации(«вверх»),красным–отрицательномунаправлению вектора поляризации («вниз»); (б) Результаты измеренияостаточного напряжения всех выделенных областей [25].На рисунке 4(а) представлен прототип устройства FeRAM сшестнадцатьюячейкамипамяти.НижняяпленкаLa0,7Sr0,3MnO3структурирована с помощью процесса фотолитографии и вытравлена вполоски размером 2000 мм × 10 мм. После записи случайных значений вкаждую ячейку были измерены вольт-амперные значения для каждой ячейкирис. 4(б).Таким образом, в работе [25] продемонстрирован новый подход ксозданию энергонезависимой памяти, с использованием поляризационно20зависимого фотогальванического эффекта в тонкой сегнетоэлектрическойпленке.Существуют работы по созданию твердотельной памяти на основесегнетоэлектрических туннельных переходов.
Главным преимуществом такихустройств является более высокая энергоэффективность по сравнению смагнитными запоминающими устройствами с произвольным доступом [26],где данные хранятся в относительном совмещении двух ферромагнитныхэлектродов, разделенных немагнитным туннельным барьером, а считываниеданных выполняется посредством измерения туннельного тока. Такиеустройства, основанные на туннельном магнитосопротивлении [27], обычнотребуют больших ( ≥ 1 × 106 А / см 2 ) мощностей для операций записи. Однако,как было показано в работе [28], энергонезависимая память на основе тонкойсегнетоэлектрической пленки продемонстрировала необходимое значениемощности для записи ≈ 1 × 104 А / см 2 .На рисунке 5(а) представлена схема ячейки памяти с тонкой (2нм)сегнетоэлектрической пленкой BTO.
Исследования типичных характеристикR от Vwrite (рис.5(б)) демонстрируют переключение при коэрцитивномнапряжении.Приположительномнапряжениикоэрцитивногополясопротивление переключается с низкого на высокое значение, и устройствонаходится в состоянии высокого сопротивления («ВЫКЛ»), при этом векторполяризации направлен к слою LSMO. Симметрично, состояние низкогосопротивления(«ВКЛ»)достигаетсяпутемизмененияориентацииполяризации приложением поля к верхнему электроду (рис. 5(в)) [28].Кроме перечисленных выше приборов на основе сегнетоэлектрическихпленок,вработе[29]былапоказанавозможностьиспользованияэпитаксиальных напряжений для создания многоэлементной ячейки памяти.21Рисунок 5. (а) Эскиз устройства с верхним золотым электродом накобальте, и нижним LSMO на подложке NGO. (б) Зависимость R (Vwrite)для прототипа, измеренная с остаточной намагниченностью (Vread = 100мВ) после приложения последовательных импульсов напряжениядлительностью 100 мкс.
(в) Зависимость I (Vread) для устройства всостояниях ВКЛ (ON) и ВЫКЛ (OFF) [28].Рисунок 6. Фазовая диаграмма пленки PbTiO3 в зависимости отэпитаксиальных напряжений [29].22Как было показано выше, существующие сегнетоэлектрические ячейкипамяти, в основном, базируются на стандартной бинарной логике. Однакосегнетоэлектрическиепленкимогутнаходитьсявмультистабильныхсостояниях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
