способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям

Формула изобретения

Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям, заключающийся в снижении эффективности воздействия переменного электрического поля на заряженные дислокации, отличающийся тем, что используют сегнетоэлектрическую пленку с минимальной длиной «усов» петли гистерезиса, с максимально квадратной петлей гистерезиса и максимально возможную частоту переключения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области применения сегнетоэлектрических материалов в качестве носителей записи информации и может быть применено для создания устройств энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрических пленок.

Известно, что практическое использование сегнетоэлектриков в качестве материала для записи информации путем локальной переориентации вектора поляризации сдерживается так называемым эффектом усталости - снижением переключаемой поляризации при многократном операционном использовании. Установлен способ снижения указанного эффекта путем использования сегнетоэлектрических пленок с крупнозернистой кристаллической структурой. В данных пленках отношение поверхности к объему, очевидно, уменьшено, что снижает блокирующую роль приповерхностных нарушений в переключении поляризации. Показано, что крупнозернистая кристаллическая структура формируется в тонких сегнетоэлектрических пленках на кремниевых подложках при использовании золь-гель технологии. Таким образом, указан способ влияния на эффект усталости посредством контроля за степенью дисперсности составляющих материал кристаллитов (Yang.Т.К. Effect of grain size of Pb(Zr₀.4Ti ₀.6)O3 sol-gel derived thin films on the ferroelectric properties. Applied Surface Science. - 2011. - V.169-170. - P.544-548)).

Усталость переключаемых сегнетоэлектриков может быть обусловлена различными причинами, и, следовательно, существуют различные способы борьбы с нею. Наиболее близким к настоящему изобретению является эффект усталости многократно переключаемого сегнетоэлектрика, возникающий за счет закрепления переключаемой поляризации кислородными вакансиями в сегнетоэлектриках типа перовскита (М. Dawber, J.F. Scott. A model for fatigue in ferroelectric perovskite thin films. Applied Physics Letters 76, 8, 1060-1062(2000).

Наличие эффекта усталости переключаемой поляризации в сегнетоэлектрических материалах за счет блокирования доменных стенок дефектами (в данном случае кислородными вакансиями) препятствует использованию сегнетоматериалов со структурой перовскита в устройствах записи информации вследствие того, что при многократном переключении (перезаписи) во внешнем электрическом поле при достижении некоторого критического значения циклов переключения N происходит резкое уменьшение переключаемой поляризации и, значит, исчезает возможность регистрации специальным образом поляризованного состояния кристаллической решетки как носителя информации.

Выявлена основная причина уменьшения величины переключаемой поляризации в процессе многократной переполяризации сегнетоэлектрических пленок в виде закрепления переключаемой поляризации заряженными дислокациями, испытывающими отличное от нуля воздействие со стороны приложенного переменного электрического поля (А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко и др. Эволюция токов переключения в процессе накопления усталости в тонких пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца. Изв. РАН, серия физическая, т.75, № 10, 2011, с.1385-1389; А.С. Сидоркин, Л.П. Нестеренко и др. Влияние электрического поля на процессы усталости тонких сегнетоэлектрических пленок. ФТТ, 2012, том 54, вып.5, с.947-949). В переменном поле заряженные дислокации меняют знак вместе с изменением поляризации и во время переключения испытывают на себе силу со стороны внешнего электрического поля, которая в среднем за период переключения всегда направлена в одну сторону. При этом максимальное воздействие этой силы происходит, когда образец полностью переключен, т.е. в области насыщения поляризации (в области так называемых «усов» петли гистерезиса).

Для образцов с повышенной величиной коэрцитивного поля и внутреннего поля смещения вследствие уменьшения толщины пленки, размеров кристаллитов, взаимодействия с подложкой и т.д. используемый для записи информации материал попадает в область более сильных полей и сила, действующая на дислокации, увеличивается. Это приводит к ускорению процессов усталости.

Заявленное изобретение предназначено для решения задачи создания сегнетоэлектрических материалов в виде пленок титаната свинца и цирконата-титаната свинца, сохраняющих возможность переключения и значения переключаемой поляризации под воздействием длительного переключения внешним полем.

При решении данной задачи получен следующий технический результат: уменьшение связанного с многократными переключениями эффекта усталости сегнетоэлектрической пленки за счет снижения эффективности воздействия переменного электрического поля на заряженные дислокации, блокирующие переключаемую поляризацию в сегнетоэлектриках.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям, приводящим к снижению эффективности воздействия переменного электрического поля на заряженные дислокации, согласно изобретению, используется сегнетоэлектрическая пленка с минимальной длиной «усов» петли гистерезиса, с максимально квадратной петлей гистерезиса, и, кроме того, используется максимально возможная частота переключения.

Для реализации способа использовались тонкие пленки титаната свинца и цирконата-титаната свинца толщиной от 100 до 1000 нм поликристаллической структуры с размером зерен от 100 до 200 нм, полученных по золь-гель технологии на подложках из монокристаллического кремния с подслоем платины в качестве нижнего электрода. Для электрических измерений термическим напылением через маску были нанесены верхние золотые электроды. В качестве внешнего поля использовали переменное электрическое поле синусоидальной формы.

На фиг.1 представлена квадратная петля диэлектрического гистерезиса; на фиг.2 представлена петля диэлектрического гистерезиса для пленки титаната свинца РbTiO₃ толщиной 200 нм на кремниевой подложке при напряженности внешнего электрического поля 200 кВ/см; на фиг.3 представлены зависимости переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок PbTiO₃ на кремниевой подложке при Т=20°C, f=10 MHz: 1, 2, 3 - Е=130, 200, 270 kV/cm; на фиг.4 представлены зависимости переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок Pb(Zr_0.5Ti_0.5 )O₃ на кремниевой подложке при Т=20°C, E=130 kV/cm: 1-100 kHz; 2-1 MHz; 3-10 MHz.

В сегнетоэлектрических кристаллах дислокации являются заряженными, и поэтому испытывают смещающие силы со стороны приложенного электрического поля. При этом знак заряда дислокации меняется при изменении вектора спонтанной поляризации, поэтому одна и та же дислокация в одном и том же внешнем поле будет испытывать силы разного знака для различной ориентации вектора спонтанной поляризации в образце.

В результате для образца с предельно прямоугольной петлей диэлектрического гистерезиса (Фиг.1) влияние внешнего поля на заряженную дислокацию на участках ВС и FD взаимно уничтожает друг друга.

Нескомпенсированное влияние реализуется только на усах петли гистерезиса, т.е. на участках АВ и DE, которое и приводит к разделению дислокаций разного знака, обеспечивающему накопление необходимых упругих и электрических компенсационных полей вблизи поверхности пленки или границ так называемых «упрямых» доменов, фиксируя и выключая их из процесса переключения, создавая таким образом указанный эффект усталости.

Наличие в реальном образце (Фиг.2) наклонных участков петли гистерезиса несколько «смазывает» (уменьшает) указанный эффект, поскольку на этих участках реализуется промежуточная ситуация - между полной компенсацией (как на участках ВС и FD предыдущей петли) и сложением воздействий растущего и спадающего поля на «усах» петли гистерезиса.

Из представленных на фиг.3 зависимостей переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок PbTiO₃ для разных значений напряженности переключающего поля хорошо видно, что с ростом напряженности электрического поля усталость, т.е. резкое уменьшение переключаемой поляризации начинается при меньшем значении циклов переключения.

Из представленных на фиг.4 зависимостей переключаемой поляризации от числа циклов переключения для пленок Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃ для разных значений частоты переключающего поля хорошо видно, что пороговое значение циклов переключения, которое выдерживают пленки, растет с увеличением частоты.