Издателям
Вышедшие номера
Явление усталости в эпитаксиальных пленках цирконата-титаната свинца
Шур В.Я.1, Пономарев Н.Ю.1, Тонкачева Н.А.1, Макаров С.Д.1, Николаева Е.В.1, Шишкин Е.И.1, Суслов Л.А.2, Салащенко Н.Н.2, Клюенков Е.Б.2
1Научно-исследовательский институт физики и прикладной математики при Уральском государственном университете, Екатеринбург, Россия
2Институт физики микроструктур Российской академии наук, Нижний Новгород, Россия
Поступила в редакцию: 15 ноября 1996 г.
Выставление онлайн: 19 марта 1997 г.

Потенциальное применение тонких сегнетоэлектрических пленок в энергонезависимой памяти стимулирует исследование механизмов, обусловливающих явление усталости (fatigue) --- уменьшение переключаемого заряда в результате длительного циклического переключения знакопеременными импульсами [1]. Эпитаксиальные гетероструктуры PbZr0.52Ti0.48O3/ YBa2Cu3O7-x были получены лазерным напылением на ориентированные монокристаллические пластины (001) SrTiO3. Верхний электрод площадью около 4 · 10-4 mm2 был изготовлен магнетронным распылением никеля. Параметры структур и технология их получения описаны в [2,3]. Известно, что сложная эволюция доменной структуры при "сверхбыстром" (субмикросекундном) переключении поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках не может быть исследована прямыми методами (визуализирована). Приходится использовать косвенные методы, измеряя интегральные характеристики, такие как ток переключения. К тонкопленочному сегнетоэлектрическому конденсатору прикладывалась последовательность парных биполярных импульсов (длительность 20 mus, частота повторения 1 kHz, время нарастания не более 10 ns) и регистрировалось падение напряжения на последовательном сопротивлении 1.5 Omega с разрешением по времени до 5 ns. Для получения собственно тока переключения емкостная составляющая тока (полученная во втором импульсе) численно вычиталась из результатов измерений при воздействии первого импульса [4,5]. Ранее нами было показано [6,7], что математическая обработка тока переключения, учитывающая топологические превращения в ограниченном объеме, позволяет определять параметры, описывающие эволюцию доменной структуры, а также геометрию и размеры доменов в исходной доменной структуре. По определению форма тока переключения имеет вид j(t) = 2Ps(dq(t)/dt), (1) где Ps --- величина спонтанной поляризации, а q(t) --- доля объема, которая занята не успевшими переключиться доменами. Было показано также [6-8], что при "анизотропном ограничении", вызванном анизотропией формы переключаемого объема, процесс переключения разбивается на стадии с различной размерностью. В тонких пленках PZT анизотропия ограничения связана с особенностями исходной доменной структуры, состоящей из узких чередующихся областей, занятых a- и c-доменами (схема на рис. 1) [9-11]. Известно, что плотность и размеры a-доменов в тонких пленках зависят от несоответствия параметров решетки и различия коэффициентов термического расширения подложек и пленок [12]. При быстром переключении 90o доменные стенки практически неподвижны, и 180o переключение происходит независимо в "анизотропных" узких полосках. [!b] Явление усталости в эпитаксиальной гетероструктуре PZT/YBCO. На вставке --- схема изменения доменной структуры в результате усталости. [!b] Зависимость от времени тока переключения в эпитаксиальной гетероструктуре PZT/YBCO после 3· 109 циклов переключения. Экспериментальные точки аппроксимированы формулами (1), (2). Для анализа токов при неполном переключении учтем роль остаточных доменов. Рассмотрим beta-процесс [6,13,14] при двумерном росте доменов в объеме прямоугольной формы площадью S=AL2, где A --- анизотропия объема (отношение длин сторон прямоугольной полоски). Тогда q(t) = exp[-(t/t01)2(1-t/tm)], & t<tcat, exp[-(t/t02)], & tcat < t, (2) где tcat=L/v --- время катастрофы (геометрического превращения), L --- ширина переключаемого объема (среднее расстояние между соседними a-доменами), v --- скорость бокового роста 180o доменных стенок, t01=(C1N0/A)-1/2tcat, t02=(C2N0/A)-1tcat, C1 и C2 --- характерные времена и константы формы для начальной и заключительной стадий переключения, N0 --- количество остаточных доменов, tm=C1(C1-C2)-1tcat --- характерное время, учитывающее взаимодействие растущих доменов с границами переключаемого объема. [!tb] Изменение аппроксимационных параметров (характерных времен) в результате усталости. Типичная зависимость величины переключаемого заряда от количества циклов переключения приведена на рис. 1. После 3· 109 циклов переключаемый заряд уменьшается на 23%. Наблюдаемое изменение может быть отнесено за счет перестройки доменной структуры. Для определения того, как усталость изменяет доменную структуру, измеренные импульсы токов переключения аппроксимировались формулами (1), (2) (рис. 2). Анализ зависимостей подгоночных параметров от количества циклов (рис. 3) позволил количественно описать изменение состояния статической доменной структуры, существующей в паузах между импульсами. Удалось показать, что после 3· 109 циклов среднее расстояние между a-доменами L и средняя константа формы на первой стадии процесса переключения C1 уменьшались в 1.3 раза, а количество остаточных доменов N0 увеличивалось в 1.2 раза. Скорость роста доменов v при этом практически не изменялась. Таким образом, явление усталости при циклическом переключении в эпитаксиальных гетероструктурах может быть отнесено за счет неполного переключения c-доменов и появления дополнительных 90o доменных стенок в доменной структуре, существующей в паузе между импульсами (схема на рис. 1). Кинетика усталости определяется параметрами исходной доменной структуры и должна существенно зависеть как от условий получения гетероструктуры, так и от вида подложек. Приведенные исследования выполнены при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 96-02-19588).
  • J.F. Scott, C.A. Paz de Araujo. Science 246, 1400 (1989)
  • В.Я. Шур, С.Д. Макаров, Н.Ю. Пономарев, В.В. Волегов, Н.А. Тонкачева, Л.А. Суслов, Н.Н. Салащенко, Е.Б. Клюенков. ФТТ 38, 6, 1889 (1996).
  • V.Ya. Shur, S.D. Makarov, N.Yu. Ponomarev, V.V. Volegov, N.A. Tonkachyova, L.A. Suslov, N.N. Salashchenko, E.V. Kluenkov. Microelectron. Eng. 29, 153 (1995)
  • K. Dimmler, M. Parris, D. Butler, S. Eaton, B. Pouligny, J.F. Scott, Y. Ishibashi. J. Appl. Phys. 61, 12, 5467 (1985)
  • J.F. Scott, L. Kammerdiner, M. Parris, S. Traynor, V. Ottenbacher, A. Shewabkeh, W.F. Oliver. J. Appl. Phys. 64, 2, 787 (1988)
  • V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev, S.D. Makarov, V.V. Volegov. Integrated Ferroelectrics 5, 4, 293 (1994).
  • В.Я. Шур, Е.Л. Румянцев, С.Д. Макаров. ФТТ 37, 6, 1687 (1995)
  • V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev, S.D. Makarov. Ferroelectrics 172, 361 (1995)
  • M. Klee, U. Machens, A. de Veirman. Ferroelectrics 140, 211 (1993)
  • M. Huffman, J. Zhu, M.M. Al-Jassim, Ferroelectrics 140, 191 (1993)
  • A. Seifert, F.F. Lange, J.S. Speck. J. Mater. Res. 10, 3, 680 (1995)
  • J.S. Speck, A. Seifert, W. Pompe, R. Ramesh. J. Appl. Phys. 76, 1, 477 (1994)
  • А.Н. Колмогоров. Изв. АН СССР. Сер. мат. 3, 355 (1937)
  • M. Avrami. J. Chem. Phys. 7, 1103 (1939); 9, 17 (1941)
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.