DOI : 10.2240/azojomo0159

Sint를 사용하는 침을 튀기기 RF 자전관에 의해 준비되는 BaTiO3 박막의 Microstructural 특성

V. Torres-Heredia, J. Munoz-Saldanaa, F.J. Espinoza Beltrann, A. Marquezz Herrera및 A. Zapata Navarro

이것은 허용 제한 없는 사용이 본래 일을 제대로 인용되고 그러나 비영리적인 배급 및 재생산으로 제한되는 제공한 AZo 노의 조건으로 배부된 아조기를 함유한 개가식 사례금 체계 (AZo 노) 기사입니다.

AZojomo (ISSN 1833-122X) 양 2005년 11월 1일

커버되는 화제

요약

침을 튀기는 RF 자전관에 의해 준비된 nanocrystalline₃ (BT)BaTiO 박막 및 저온의 Microstructural 특성은 고에너지 맷돌로 가는 시설에서 가공된 분말에서 BT 표적을 보고됩니다 소결했습니다. 고에너지 공 맷돌로 갈기에 있는 다른 맷돌로 가는 시간 후에 BT 분말의 입자 크기의 발전은, SEM 심상 분석과 XRD에 의해 (SPEX 8000 믹서 선반) 감시되었습니다. 맷돌로 갈기의 120 분 후에 준비된 (138 MPa) 누르고 소결해서 submicrometric 크기 (~280nm) BT 분말은 표적을 날조하기 위하여 이용되었습니다 (950°C). BT 필름은 ITO로 입힌 Si (111)의 기질에 예금되, 코팅 시간 BT- 및 ITO 필름을 위해 변화하. 뒤에 오는 매개변수는 모든 준비한 필름을 위해 조정 이었습니다: 성장 도중 가스의 RF 힘, 총압, 및 기질과 표적 사이 거리. 600에 가열하는 느린 비율의 밑에 소결 과정, 700 및 800°C는 필름을 위해 사용되었습니다. 입자 크기를 측정해서 감시된 성장 과정에 대한 sinterization 온도와 공술서 시간의 효력은 (SEM와 XRD), 박막의 표면 거칠기 (AFM) 토론됩니다. 그 결과로, 이차 입자 성장은 소결 온도에 의해 좌우되기 위하여 관찰되었습니다. BT의 준비된 박막은 또한 압전 힘 현미경 검사법이 특징이었습니다 (PFM). 이 방법은 polycrystal에서 끼워넣어진 BaTiO₃ (001) 동쪽으로 향하게 한 정자에서 이전에 측정되었습니다. 이의 짧은 분석은 또한 측량 필름의 nanostructure가 고려된 곳에, 선물됩니다.

키워드

바륨 t itanate, t hin f ilm, g 비 s ize illing, h igh e nergy m s econdary g 비 g rowth.

소개

가공하는 십년간 및 수많은 센유전 물질의 재산 특성에 연구원의 수천을 위한 주의의 초점은 이었습니다. Ferroelectric 세라믹스는 그들이 현대 회로 [1]에서 쉽게 통합될 수 있던 박막으로 성장될 수 있다 는 사실 뿐 아니라 그들의 전자와 광학적인 특성, 때문에 산업 용도를 위한 중대한 관심사의 입니다. 관심사의 특성 안쪽에: 필름 물자가 회로의 나머지와 호환이 되어야 하다 는 거꾸로 한 대립 상태, 높은 절연성 불변의 것, pyroelectricity, 피에조, 보자력 마당, 입자 크기, 필름 간격 및 당연히 사실, 예를들면 전극. Ferroelectrics는 영구 메모리 드램 (동적 RAM), FRAM (Ferroelectric RAM), 적외선 발견자의, 기계 및 전기 마이크로 액추에이터 의 전기 광학, pyroelectric 감지기, 박막 축전기 및 다른 사람의 사이에서 지상 청각 파 장치로 신청에서, 완전히 사용됩니다. 그런 장치의 의존, 효율성 및 개선은 박막 [2-3]의 영역의 질 그리고 배열에 강하게 달려 있습니다.

침을 튀기는 RF- 자전관은 널리 이용됩니다 기질이 2개의 전극 사이에서 낮 압력 약실에서 두는 기업에 있는 신청 더를 가진 세라믹 박막을 준비하기 위하여. 전극 사이 아르곤 가스의 플라스마 그리고 이온화를 생성하는 전극은 RF 전원에 의해 몹니다. DC 잠재력은 표적 떨어져 두드려지는 원자가 원인이 되는 BT 표적의 표면으로 이온을 몰고 기질 표면에 집광하는 이용됩니다. 지난 몇년간, 광대한 면담은 nanocrystalline BT의 크리스탈 단계, 분말에 있는 현재, 대량 몸 또는 박막에 집중했습니다.

각종 접근은 다른 공술서 기술 [3-5] 사용해서 ferroelectrics에 있는 나머지 분극을 확대하기 위하여 실행되었습니다. 강화된 ferroelectricity는 산화물 전극 [6] 지휘의 사용을 통해 이미 관찰되었습니다. 그러나, 산화물 전극은 아직도 어려운 제작 높은 비용과 같은 문제를 포함하고 복잡한 에칭 과정 그리고 수많은 미해결 기술적인 문제점은 남아 있습니다. 그들이 높게 전도성 및 광학적으로 (ITO) 투명한 이기₂₃₂ 때문에, 높은 순수성 인듐 주석 산화물 (InO/SnO)는, 평면 전시, 태양 전지, 발견자에 있는 전기적 접점으로 널리 이용됩니다 [7-8]. 그것의 투명도에 관계없이, ITO 필름은 ferroelectric 비휘발성 기억 장치에 있는 전도성 금속 산화물 바닥 층으로 이미 성공적으로 이용되었습니다.

상업적인 BT 표적 사용의 문제는 연속적인 필름 공술서 절차에 있는 이성분을 일으키는 원인이 되는 음극 부식 도중 골절하다 입니다. 이 표적 강직은 자전관 과정 침을 튀기 [7] 도중 진공 매개변수에 의해 및 또한 다만 공융 온도의 밑에 온도에 소결 후에 표적의 잔류 응력 상태 때문에 결정되는 표적에 나타나는 에칭 지역과 관련있는 에칭 조건 때문입니다 할 수 있습니다, (1322°C) BT 광고 방송₃ 분말에 있는 BaTiO와₂ TiO 전형적인 과잉 사이.

존재하는 학문에서는, 우리는 (111의₃) ITO/Si 기질에 맷돌로 가는 고에너지 공에 의해 가공된 분말에서 저온 소결한 BT 표적을 사용하여 RF 침을 튀겨서 ITO 박막이 전극으로 인 BaTiO 얇은 필름을 준비했습니다. 게다가, nanocrystalline BT 박막의 구조 그리고 microstructural 특성은 보고됩니다.

실험

BaTiO (50₃ (BT)mm 직경)의 표적은 BT 상업적인 분말 (알파 Aesar 독일) (99.9%) 및 고에너지 과정 (SPEX 8000 믹서 선반)에 의해 맷돌로 갈린 2 µm의 입자 크기에서 출발, 이전에 건조했던 준비되었습니다. 극대 맷돌로 가는 시간은 10 Min.의 간격에 있는 입자 크기를 측정하는 120 분 이었습니다. 맷돌로 갈린 분말의 입자 크기의 발전은 XRD (Rigaku D/Max-2100 의 방사선 CuKa)에 의해 감시되었습니다. 분말은 138 MPa에 uniaxialy 눌러지고 Felisa 로에 있는 1 시간 동안 950°C에 미세에 있는 다름을 가진 몇몇 표적을 얻기 위하여 그 후에 소결되었습니다.

ITO/Si (111의) 기질은 ITO로 입힌 천연 산화물을 가진 Si (111의) 웨이퍼에 이루어져 있었습니다 (공술서 시간의 1과 2 분). ITO 코팅은 Sn를 사용하여 그리고 표적에서 CO 침을 튀기는 DC 자전관에 의해 얻어졌습니다. 안으로 침을 튀긴 도표 1.에 ITO 층의 준비 특성은 요약되고 Si (111의) 기질에 Sn 원자는 N-H 대기권에서 석영 관형노 (THERMOLYNE-Barnstead-21100)에 있는 450°C/1h에 포스트 격렬한 그것의 전도도를 개량하기 위하여 공기 대기권에 있는₂₂ 550°C/3h에 ITO를 형성하도록 포스트 단련되고. ITO/Si (111의) 기질은 XRD, SEM, AFM, 마이크로 라만 분광학 및 PFM이 특징이었습니다; 라만 스펙트럼에 있는 SiO₂ 의 신호를 제외하기 위하여는, Si (티타늄 알루미늄 산화물로 입힌 111의) 산화물 웨이퍼는 이전에 성격을 나타냈습니다.

Si 기질에 ITO 입히는 전극의 준비의 도표 1. 매개변수.

힘	40-100 W
일 압력	9.1x 10^-2 mBarr
Ar는 녹입니다	25-30 sccm
O₂ 유출	5 sccm
공술서 시간	1,2,5,6 분
기질	산화되는 Si (111)

가장 작은 입자 크기 및 균질 미세를 보여준 준비한 표적을 사용하여 (Intercovarmex) 침을 튀겨 ITO/Si (111의) 기질에 BT의 박막은 RF 자전관에 의해 얻어졌습니다. 채택된 일 압력은 9.9 sccm의 아르곤과 산소 유출 및 0.66 sccm, 각각 및 75W의 힘을 가진 10 mTorr이었습니다. 공술서 시간은 변화되었습니다 (90, 150 및 210 분). BT의 박막은 10º/min.의 난방과 냉각 비율 절차를 사용하여 산소 대기권에 있는 600, 700 및 800°C에 단련되었습니다. BT의 박막의 구조는 XRD이 특징이었습니다. 입자 크기 성장의 과정에 대한 소결 온도 및 공술서 시간의 효력은, 감시되고 AFM 현미경 사진의 XRD 그리고 심상 분석에 의해 분석해 필름 미세의 이차 성장 효력을 결정하기 위하여 사용되었습니다. 게다가, AFM에 의하여 소밀 측량은 표준으로 필름의 질을 결정하기 위하여 이용되었습니다. BT 필름의 piezoresponse (영역 윤곽)에 대한 성장 조건의 분석 효력은 압전 힘 현미경에 의해 깨달았습니다 (PFM). 이 체계는 BT에 의하여 동쪽으로 향하게 한 (001) 정자로 이전에 측정되고 다결정 세라믹에서 묻혔습니다.

결과 와 면담

BT 고에너지는 맷돌로 갈기의 30 분 후에도 분말을 도달했습니다 submicrometric 크기 (360 nm)를 맷돌로 갈고 때때로 280 미만은 nm 이전에 언급된 것과 같이 120 까지 Min., 120 분에 얻어진 분말 맨먼저, 표적 uniaxially 원한 기하학이라고 밀어넣어지고 소결 후에 절차는 34와 360 nm의 평균 정자 그리고 입자 크기를, 각각 보여주었습니다. 표적에 의하여 이론적인 조밀도의 86% 조밀도 값을 선물하고 자전관 침을 튀기 과정 도중 몇몇 BT 필름의 준비 후에 에칭 조건이 살아났습니다. 90, 120 및 210 분의 공술서 시간으로 준비된 준비한 BT 필름의 간격은 250, 470 및 830 nm, 각각이었습니다. 다른 필름의 정자 크기는 16에 22 nm의 범위 안에 인 XRD에서 평가되었습니다.

숫자 1 600에, 700와 미세가 관찰될 수 있는 800°C는 단련된, BT 필름의 AFM 지세 심상에서는 보입니다. 숫자 1 (a)와 (b)는 600와 700ºC에 얻어진 독특한 equiaxial3를, 각각 보여줍니다.

숫자 1. a) BaTiO/ITO-2min/Si의 600에, 700 및 800°C (111) 및 b) BaTiO/ITO-1min/Si (111) 소결되는 입히는"₃ BT 박막으로 "₃의 AFM 현미경 사진.

소결 온도가 증가하는 만큼 입자 성장 행동은 관찰될 수 있습니다. 이것은 공술서 시간 (90에서 210 분)의 의존과 입자 크기에 소결 온도가 보이는 곳에, 숫자 2의 도표에서 보인 베스트 할 수 있습니다. 입자 크기는 120 nm에서 210 nm에 150 분까지, 각각 입히는 만큼 견본에서 소결 온도가 600에서 800ºC에 증가시킬 때 예를들면 증가합니다.

600, 700 및 800ºC에 단련되는 BT 박막의 입자 크기에 대한 숫자 2. 공술서 시간 의존.

equiaxial에서 날가로운 것에 곡물 형태학에 있는 미세 변화는 곡물을 형성했습니다 뿐 아니라 소밀로 측정된 또한 800ºC의 소결 온도에 의해 지상 편평함에 있는 강한 변화는 관찰될 수 있습니다. 숫자 1 (b) 곡물의 심상의 아주 난잡한 배급을 가진 쇼 표면. nanometric 곡물을 가진 덩어리의 대형은 필름의 더 높은 소밀 가치 그리고 분쇄의 결과로 뿐 아니라 더 높은 유공성, 명확하게 평가될 수 있습니다. 좌 심상 이상한 입자 성장에서는, 곳에 비 관찰됩니다 - 정밀한 나뭇결 모체에서 끼워넣어진 대칭 큰 곡물은 출석하.

입자 크기에 대한 온도와 공술서 시간 소결의 효력은 숫자 2.에서 보입니다. 240 nm의 평균 입자 크기는 800°C.에 공술서 시간 그리고 소결의 90 분 후에 얻어졌습니다. 더 긴 공술서 시간으로 입자 크기 증가는 숫자 2.에서 보일 수 있다시피, 보다 적게 200 nm의 표를 한 지도 평균 입자 크기이었습니다. 이것은 더 긴 공술서 시간 (210 분을 위해) 나타냅니다 800°C의 소결 온도는, 재결정화 과정 입자 성장 제대로 일어납니다.

온도가 다른 공술서 시간 (90에서 210 분) 동안 600에서 800ºC에 증가시킬 때 숫자 3은 BT 박막의 소밀에 있는 효력을 보여줍니다. 필름에서 온도와 공술서 시간을 가진 소밀에 있는 증가는 관찰되었습니다. 이 결과는 온도를 가진 입자 크기와 숫자 2.에서 관찰된 공술서 시간을 가진 감소에 있는 증가로 관련될 수 있습니다.

BT 박막의 다른 공술서 시간 동안 온도의 기능으로 숫자 3. RMS 변이.

숫자 4는 기술한 매개변수의 밑에 BT 박막 성장을 위한 XRD 측량을 보여주고 다른 온도에 단련했습니다. 준비한 필름의 XRD 본은 아주 600ºC에 단련된 필름에서 분말에게, 특히 기대된과 비교된 날가로운 것이 아닙니다. 우리는 600-800°C의 선택한 소결 범위가 600°C인 BT 필름 최소 온도의 결정화로 이 목적을 위하여 이끌어 낸다는 것을 결론지어서 좋습니다.

숫자 4. 600, 700 및 800°C (a 의 b)에 열처리 3/ITO-1min/Si (111의) 박막. 2q의 44-46°의 범위 안에 BaTiO/ITO-2min/Si₃ (111)를 위한 전형적인 풀어내기 결과는의 부분적으로 덮 (002) 그리고 (BT 사각형 단계 (c)의 200의) 첨단을 보여줍니다.

기질 Si (111)의 주요 첨단은 그러나 ITO 첨단 결핍은 ITO의 층은 아주 약하게 이다 는 사실 때문이는 할 수 있는 그러나, 확인될 수 있었습니다 (~10 nm). 표준 입방 단계 BT의 최고봉 위치와와 특히, 단 하나 첨단에 잘 맞은 모든 본은 2q = 44.95° BT 입방 단계의 (200의) 비행기의 기대값에 가깝다 첫번째 근사가 그것 보이기 때문에 필름의 구조를 XRD 결과에게서 얻기 위하여, 그리고. 표준 입방 단계의 최고봉 위치의 위 숫자에서 보인 밀러 지표는 BT 카드 JADE#75-2122를 사용하여 얻어졌습니다. 문학에 있는 몇몇 보고는 사각형 BT [12-13]를 위해 44.85 그리고 45.38에 2개의 부분적으로 덮기 첨단이 있기 때문에 필름에 있는 입방 단계가 사각형 BT 단계에서 명백하게 수훈이 있을 수 있다는 것을 단정합니다. (200) (002) 2 q 3의 범위 44-46°에서 명확하게 준비된 BT 필름의 XRD 본에서 관찰되지 않으며 [BT 박막의 구조 행동에 관하여 통찰력을 더 얻는 11는, 언급된 범위에 있는 XRD 본의 최고봉 풀어내기 착수했습니다 (숫자 4c). 결과는 숫자 4.에서 보입니다. 이 결과에서, 격자 매개변수가 압축 긴장의 밑에 경미하게 왜곡되다 그래야 필름이 넓은 단 하나 첨단으로 이끌어 내는 내부 응력의 밑에 XRD 스펙트럼에 있는 사각형 단계를 그러나, 보내다 명확합니다. 이것에 관하여 추가 정보는 티타늄 Al/Si (111의) 산화된 기질 (숫자 5)에 예금된 이 필름에 실험을 뿌려 마이크로 라만에 의해, 얻어졌습니다. BT 세라믹스의 입방 전환에 사각형은 120°C에 대략 일어나고 사각형 단계에서, 3개는 3개의₁ 지역 센터 적외선 활동적인 음자 F에서 A + E 형태 일어나고_1u 하나 의 소위 "사이런트 모드"는 F.에서, E₁ + B 옵니다._2u 격자 ionicity [13-14]와 (LO) 관련되었던 (TO) 정전기힘의 장거리 때문에 경도와 통과하는 형태로 균열이 이 형태에 의하여 발전합니다. 305 cm에 첨단의 외관은^-1 BT 박막 [15-16₆ ]의 TiO 팔면체 내의 불균형을 나타냅니다. 그러므로 결성한 BT는 없다는 것을 입방 대칭이 촬영한다는 것을, 추정될 수 있습니다. A () 형태에 일치하는 520 cm^-1에 첨단₁의₃ 외관은, 아닙니다, 때문에 동일한 파동수에 Si (111) 첨단의 외관 관찰될 수 있습니다.

BaTiO/ITO-2min/Si (111의)₃ 박막의 숫자 5. 라만 스펙트럼.

XRD와 마이크로 라만 측량에서 구조 확인의 문제는 새롭습니다 및 또한 해결한 문제점이 아닙니다. 고려할 것이다 몇몇 양상이 있습니다. 첫째로, 몇몇 종이에서 대략 190 nm [18]에, 에서 40 이하 nm [임계 크기가 이상한 입방 단계 실내 온도에 안정되어 있는 17] 있기 위하여 보고되었습니다.

다른 종합 방법, 조건 및 실험적인 기술에서 임계 크기 결심 결과의 명확한 어긋남이 있습니다. 존재하는 케이스에서는, 푸리에 해석에 의해 결정된 준비한 필름의 정자 크기는 약 20 nm입니다. 유래할 입방 일치 XRD일 것처럼 보일 때 분말에서 nanocrystal 어떤 tetragonality도 없이 진실한 입방 단계를 보낸다는 것을 이 특정한 질문은, 실제적인 면담 주제입니다. 예를 들면, 클라크는 그 외 여러분 [19] 분말에서 nanocrystalline BT 입자가 사각형 단계 동안 라만 활성 방식의 존재에 따라 입방 보다는 오히려 사각형 이다는 것을 결론지었습니다. 이 일에서 우리는 BT 박막의 상자를 위한 유사한 측량 그리고 XRD 최고봉 풀어내기에 근거를 둔 이 결론을 확인했습니다.

결론

BT 필름은 ITO/Si (111의) 기질에 RF 침을 튀겨서 그리고 소결하는 고에너지 맷돌로 갈고 그리고 저온에 의해 준비된 BT 표적에서 출발 성공적으로 날조되었습니다. 낮은 소결 온도 (950°C) 제일 표적의 microstructural 재산에: submicrometric 입자 크기 (~260 nm), 높은 densification 및 균질성은 얻어질 수 있습니다. BT 필름 미세와 사각형 세포의 찡그림으로 이끌어 내는 내부 응력에 대한 어닐링 온도의 강한 의존은 관찰되었습니다. 특히, 800°C와 더 긴 시험한 공술서의 온도에 (210 분) 이차 재결정화의 과정의 확인되었습니다 시기를 정합니다. 60 nm의 입자 크기를 가진 필름에 있는 사각형 단계를 통해 ferroelectric 국가의 실존은의 존재가 팔면체 TiO 내의 불균형을₁ 나타내는 A₂ () 형태, 관찰된 마이크로 라만에 의해₆ 확인되었습니다. XRD 결과는 넓은 단 하나 첨단으로 명시된 사각형 왜곡한 단계를 보여주었습니다. 이 세부사항은 새로운 및 또한 해결한 문제점이 아닌 마이크로 라만 측량 확인의 문제의 전형적인 기록입니다, 와 XRD에서 구조. 더 일은 PFM (piezoresponse 현미경 검사법)에 의해 필름의 특성에 지금 완성됩니다.