Caracterização Microstructural dos Filmes BaTiO3 Finos Preparados pelo RF-Magnétron que Engasga Usando Sint

Engasgar do magnétron RF é amplamente utilizado preparar filmes finos cerâmicos com mais aplicações na indústria, onde a carcaça é colocada em uma câmara de baixa pressão entre dois eléctrodos. Os eléctrodos são conduzidos por uma fonte de energia do RF, que geram um plasma e uma ionização do gás do argônio entre os eléctrodos. Um potencial da C.C. é usado para conduzir os íons para a superfície do BT-alvo que faz com que os átomos sejam batidos fora do alvo e condensar-se na superfície da carcaça. Nos anos passados, a discussão extensiva centrou-se sobre a fase cristalina de nanocrystalline BT, presente nos pós, em corpos maiorias ou em filmes finos.

As Várias aproximações foram realizadas para maximizar a polarização do resto no ferroelectrics usando as técnicas diferentes do depósito [3-5]. O ferroelectricity Aumentado tem sido observado já com o uso de conduzir os eléctrodos do óxido [6]. Contudo, os eléctrodos do óxido ainda envolvem problemas tais como a fabricação difícil, custo alto e as edições técnicas não-resolvidos complicadas do processo gravura a água-forte e as numerosas permanecem. O óxido da lata do índio da pureza Alta (ITO) (InO/SnO₂₃₂), é amplamente utilizado como contactos elétricos em exposições lisas, células solares, detectores, desde que são altamente condutores e óptica transparente [7-8]. Independentemente de sua transparência, os filmes de ITO foram usados já com sucesso como as camadas condutoras da parte inferior do óxido de metal em memórias permanentes ferroelectric.

O problema de usar BT-alvos comerciais é que fracturam durante a erosão catódica, causando heterogeneidade em procedimentos subseqüentes do depósito do filme. Esta degradação do alvo pode ser devido às condições gravura a água-forte relativas às zonas gravura a água-forte que aparecem nos alvos durante o magnétron que engasga o processo [7], que são determinados pelos parâmetros do vácuo e também devido às condições do esforço residual do alvo após a aglomeração em temperaturas apenas abaixo da temperatura eutectic (1322°C) entre BaTiO₃ e o excesso típico₂ de TiO em pós do anúncio publicitário de BT.

No estudo actual, nós preparamos filmes₃ BaTiO-finos por BT-alvos aglomerados de utilização da baixa temperatura RF-engasgar dos pós processados pela bola do de alta energia que mmói em 111) carcaças de ITO/Si (onde o filme fino de ITO é como um eléctrodo. Além Disso, a estrutura e a caracterização microstructural dos filmes finos de BT do nanocrystalline são relatadas.

Experimental

Os Alvos de BaTiO₃ (BT)(diâmetro de 50 milímetros) eram partir preparada dos pós BT-comerciais (Alfa Aesar Alemanha) (99,9%) e tamanho de partícula 2 do µm, previamente seco mmoído pelo processo do de alta energia (moinho do misturador de SPEX 8000). O tempo de trituração máximo era o minuto 120, medindo o tamanho de partícula nos intervalos de 10 Min. A evolução do tamanho de partícula dos pós mmoídos foi monitorada por XRD (Rigaku D/Max-2100, radiação CuKa). Os Pós foram pressionados uniaxialy em MPa 138 e aglomerados então em 950°C para uma hora em uma Felisa-Fornalha para obter diversos alvos com diferenças na microestrutura.

O de alta energia de BT mmoído pulveriza o tamanho submicrometric alcançado (360 nanômetro) mesmo depois 30 o minuto da trituração e menos de 280 nanômetro às vezes até 120 Min. Como mencionado antes, começando com os pós obtidos no minuto 120, os alvos foram pressionados uniaxially na geometria desejada e após a aglomeração os procedimentos mostraram os tamanhos médios do cristalite e de grão de 34 e de 360 nanômetro, respectivamente. Os alvos apresentaram valores de densidade de 86% da densidade teórica e sobreviveram às condições gravura a água-forte durante o magnétron que engasga o processo após a preparação de diversos filmes de BT. A espessura dos filmes preparados de BT preparados com tempos do depósito do minuto 90, 120 e 210 era 250, 470 e 830 nanômetro, respectivamente. O tamanho do Cristalite dos filmes diferentes foi avaliado de XRD que está na escala de 16 a 22 nanômetro.

Na Figura 1 imagens da topografia do AFM dos BT-filmes recozidos em 600, 700 e 800°C, onde a microestrutura pode ser observada são mostrados. A Figura 1 (a) e (b) mostra um equiaxial3 característico obtido em 600 e em 700ºC, respectivamente.

Figura 1. micrografia do AFM do “como” os filmes finos revestidos de BT aglomerados em 600, 700 e 800°C da) BaTiO/ITO-2min/Si₃ (111) e b) BaTiO/ITO-1min/Si₃ (111).

Enquanto a temperatura da aglomeração aumenta um comportamento do crescimento de grão pode ser observado. Isto pode melhor visto no gráfico de Figura 2, onde a dependência do tempo do depósito (90 a minuto 210) e a temperatura da aglomeração no tamanho de grão são mostradas. O tamanho de Grão aumenta por exemplo na amostra como revestido no minuto 150 de 120 nanômetro a 210 nanômetro quando a temperatura da aglomeração é aumentada de 600 a 800ºC, respectivamente.

Figura 2. dependência do tempo do Depósito no tamanho de grão dos filmes finos de BT recozidos em 600, em 700 e em 800ºC.

As mudanças da Microestrutura na morfologia da grão de equiaxial ao sharp formaram grões assim como as mudanças fortes no nivelamento de superfície, medido com a aspereza podem igualmente ser observadas por temperaturas da aglomeração de 800ºC. As imagens de Figura 1 (b) a mostra surge com uma distribuição muito desorganizado das grões. A Formação de aglomerados com grões nanometric pode ser apreciada claramente assim como uma porosidade mais alta, tendo por resultado uns valores de uma aspereza e uma fractura mais altos dos filmes. No crescimento de grão anormal da imagem esquerda é observado, onde as grões grandes assimétricas encaixadas em uma matriz grained fina estam presente.

Os efeitos de aglomerar a temperatura e o tempo do depósito no tamanho de grão são mostrados em Figura 2. O tamanho de grão médio de 240 nanômetro foi obtido após o minuto 90 do tempo e da aglomeração do depósito em 800°C. Com tempos mais longos do depósito o incremento no tamanho de grão era menos tamanho de grão médio de condução marcado de 200 nanômetro, como pode ser visto em Figura 2. Isto indica que pelo tempo mais longo do depósito (minuto 210) e as temperaturas da aglomeração de 800°C, um processo do recrystallization ocorrem e não correctamente um crescimento de grão.

Figura 3 mostra o efeito na aspereza do filme fino de BT quando a temperatura foi aumentada de 600 a 800ºC pelo tempo diferente do depósito (90 a minuto 210). Um aumento na aspereza com temperatura e tempo do depósito foi observado nos filmes. Este resultado pode ser relacionado com o aumento no tamanho de grão com temperatura e na diminuição com o tempo do depósito observado em Figura 2.

Figura 3. variações do RMS em função da temperatura por tempos diferentes do depósito de filmes finos de BT.

Figura 4 mostra medidas de XRD para o crescimento de filmes finos de BT sob os parâmetros descritos e recozeu-as em temperaturas diferentes. Os testes padrões de XRD dos filmes preparados não são muito sharp comparado com esperado dos pós, especialmente nos filmes recozidos em 600ºC. Nós podemos concluir que a escala escolhida da aglomeração de 600-800°C conduz a uma cristalização dos BT-filmes que são 600°C a temperatura mínima com esta finalidade.

Figura 4. calor (de 111) filmes 3/ITO-1min/Si finos - tratado em 600, em 700 e em 800°C (a, b). Os resultados típicos de uma desconvolução para BaTiO/ITO-2min/Si₃ (111) na escala de 44-46° do 2q mostram a sobreposição do (002) e (200) picos da fase tetragonal de BT (c).

O pico principal do Si da carcaça (111) mas poderia ser identificado, quando a ausência de picos de ITO puder ser devido ao facto de que a camada de ITO é muito finamente (~10 nanômetro). Para obter a estrutura dos filmes dos resultados de XRD, e porque uma primeira aproximação ele parece que todos os testes padrões cabidos bem com as posições máximas da cúbico-fase padrão BT e particularmente, o único pico em 2q = 44.95° são próximos ao valor previsto (dos 200) planos da cúbico-fase de BT. Os índices de Miller mostrados na figura acima das posições máximas da fase cúbica padrão foram obtidos usando o cartão JADE#75-2122 de BT. Diversos relatórios na literatura concluem que a fase cúbica no filme pode ser unmistakably distinta da fase tetragonal de BT desde que há dois picos de sobreposição em 44,85 e em 45,38 para BT tetragonal [12-13]. (200) e (002) na escala 44-46° de 2 q 3 não é observado claramente nos testes padrões de XRD dos BT-filmes preparados [11 Para obter mais introspecção sobre o comportamento da estrutura de filmes finos de BT, uma desconvolução máxima dos testes padrões de XRD na escala mencionada foi empreendido (Figura 4c). Os resultados são mostrados em Figura 4. Destes resultados, é claro que os filmes têm uma fase tetragonal mas sob o esforço interno, de modo que os parâmetros da estrutura sejam distorcidos leve sob o esforço compressivo, conduzindo a um único pico largo nos espectros de XRD. A Informações adicionais sobre esta, foi obtida por micro-Raman que dispersa experiências nestes filmes depositados em 111) carcaças oxidadas de Ti-Al/Si ((Figura 5). O tetragonal à transição cúbica da cerâmica de BT ocorre aproximadamente 120°C e na fase tetragonal, três modos₁ de A + de E levantam-se de três fonão infravermelho-activos F do zona-centro_1u e um, “modo silencioso assim chamado”, E + B₁ vem do F._2u Estes modos promovem a separação nos modos (LO) longitudinais e (TO) transversais devido à longa distância de forças electrostáticas associadas com o ionicity da estrutura [13-14]. A aparência de um pico em 305 cm^-1 indica a assimetria dentro dos octahedra₆ de TiO dos filmes finos de BT [15-16]. Conseqüentemente, pode-se supr que o filme formado de BT não tem a simetria cúbica. A aparência do pico em 520 cm^-1, correspondendo ao modo₁ de A (₃A) não pode ser observada, porque a aparência do pico do Si (111) no mesmo número de onda.

Figura 5. Raman-Espectros de 111₃) filmes finos de BaTiO/ITO-2min/Si (.

O problema de identificar a estrutura de XRD e de medidas de micro-Raman não é um novo e igualmente não uma edição resolvida. Há diversos aspectos a tomar em consideração. Primeiramente, o tamanho crítico abaixo de que a fase cúbica anormal é estável na temperatura ambiente foi relatado em diversos papéis para ser, de menos de 40 nanômetro [17] a aproximadamente 190 nanômetro [18].

Há uma discrepância clara dos resultados da determinação do tamanho crítico dos métodos diferentes da síntese, das circunstâncias, e das técnicas experimentais. No caso actual, o tamanho do cristalite dos filmes preparados determinado pela análise de Fourier é ao redor 20 nanômetro. Esta pergunta específica se nos pós o nanocrystal tem uma fase cúbica verdadeira sem nenhum tetragonality quando parece ser XRD de concessão cúbico resulta, é um tema real da discussão. Por exemplo, Clark e outros [19] concluiu que nos pós as partículas de BT do nanocrystalline são tetragonal um pouco do que cúbicas de acordo com a presença de modos activos de Raman para a fase tetragonal. Neste trabalho nós confirmamos estas conclusões baseadas nas medidas similares e na desconvolução máxima de XRD para a caixa de filmes finos de BT.

os BT-filmes foram fabricados com sucesso em 111) carcaças de ITO/Si (RF-engasgando e partir dos BT-alvos preparou-se pela trituração do de alta energia e pela baixa temperatura que aglomeram. Em baixas temperaturas da aglomeração (950°C) as melhores propriedades microstructural do alvo como: o tamanho de grão submicrometric (~260 nanômetro), o densification e a homogeneidade altos podem ser obtidos. Uma dependência forte da temperatura do recozimento na microestrutura do BT-filme e no esforço interno que conduz a uma distorção da pilha tetragonal foi observada. Particularmente, em temperaturas de 800°C e do depósito testado mais longo cronometra (minuto 210) um processo de recrystallization secundário foi identificado. A existência do estado ferroelectric com a fase tetragonal nos filmes com tamanhos de grão de 60 nanômetro foi verificada por micro-Raman, onde a presença de modo₁ de A (₂), Que indica a assimetria dentro do TiO₆ octahedral foi observada. Os resultados de XRD mostraram uma fase distorcida tetragonal manifestada como um único pico largo. Este detalhe é a evidência típica do problema de identificar a estrutura de XRD e de medidas de micro-Raman, que não é um novo e igualmente não uma edição resolvida. Um trabalho Mais Adicional é realizado actualmente na caracterização dos filmes por PFM (microscopia do piezoresponse).

Os autores reconhecem o suporte laboral de Pedro García Jiménez. O Vencedor de Torres-Heredia reconhece a bolsa de estudos atribuída por CONACyT durante seu programa do M.C. Este trabalho foi apoiado por CONACyT-México.