Mikroyapının Stronsiyum Bizmut Tantalat İnce Filmlerin Ferroelektrik ve Elektriksel Özelliklerine Etkisi

Sol-jel tekniğiyle hazırlanan bizmut tabaka yapılı bir ferroelektrik olan stronsiyum bizmut tantalat (SrBi2Ta2O9 (SBT)) ince filmin elektriksel özellikleri ve mikro yapı özellikleri arasındaki ilişki araştırılmıştır. SBT ince filmin yüzey mikro yapı özellikleri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile incelenmiştir. Yüzey morfolojisi incelemesinden değişik şekilli homojen olmayan bir zerre boyutu dağılımı gözlendi. Kristal yapı x-ışını kırınımı metodu (XRD) ile araştırılmıştır. XRD kırınım deseninde ince filmin (115) yönünde baskın polikristal şeklinde kristallendiği gözlenmiştir. Kapasitans özellikleri kapasitans-gerilim (C-V) ölçümü ile yapılarak değerlendirilmiş; ve yaklaşık simetrik bir kelebek tipi histerise eğrisi gözlenmiştir. Ferrelektrik özellikleri kutuplanma (polarizasyon, P)-gerilim (V) ölçülerek analiz edilmiştir. Bu bağlamda P-V histerise eğrisindeki zayıf ferroelektrik özellikler zerre boyutundaki farklılıklara, gözenekliliğe ve yüksek kaçak akıma atfedilmiştir. Kaçak akım davranışı akım yoğunlu-elektrik alan (J-E) ölçümüyle araştırılmıştır. Burada düşük alanlarda kaçak akımdaki ani artışın farklı boyut ve şekillerdeki zerrelerden dolayı oluşan yüzey pürüzlülüğü ve fazla miktardaki gözeneklerle ilişkilendirilmiştir. Kısaca zayıf elektriksel davranışın küçük zerre boyutuna, zerre sınırları arasındaki amorf fazın varlığına, yüksek kusur yoğunluklarına, gözenek yoğunluğuna, film/elektrot ara yüzeyinin zayıf kalitesine ve ince filmin yüzey pürüzlülüğüne bağlanmıştır. Sonuç olarak SBT ince filmin mikro yapı oluşumu ve özelliklerinin ferroelektrik ve elektriksel özellikler üzerinde kritik bir etkiye sahip olduğu vurgulanmıştır.

Anahtar Kelimeler:

Akıllı elektronik malzemeler, Ferroelektrik ince film, Elektriksel karakterizasyon, Mikroyapı, Sol-jel

PDF

___

[1] Ishiwara, H. 2000. Current Status and Prospects of FET-Type Ferroelectric Memories, FED Journal, 11 (2000), 27- 40.
[2] Paz de Araujo, C. A., Cuchiaro, J. D., McMillan, L. D., Scott, M. C., Scott, J. F. 1995. Fatigue Free Ferroelectric Capacitors with Platinum Electrodes, Nature, 374 (1995), 627- 629.
[3] Kim, S.K., Miyayama, M., Yanagida, M. 1994. Electrical Anisotropy of BaBi4Ti4O15 Single Crystal, Journal of the Ceramic Society of Japan, 102 (1994), 722-726.
[4] Bozgeyik, M. S. 2018. Barium Silicate Modified Strontium Bismuth Tantalate Ferroelectric Thin Films, Chinese Journal of Physics, 56 (2018), 40–45.
[5] Hsu, F. Y.,Leu, C. C., Chien, C. H., Hu, C. T. 2006. Influence of Ta Content on the Physical Properties of SrBi2Ta2O9 Ferroelectric Thin Films, Material Research Society, 21 (2006), 3124-3133.
[6] Hu, G. D.,Wilson, I. H., Xu, J. B., Li, C. P., Wong, S. P. 2000. Low Temperature Preparation and Characterization of SrBi2Ta2O9 Thin Films on (100) Oriented LaNiO3 Electrodes, Applied Physics Letters, 76 (2000), 1758.
[7] Bozgeyik, M. S., J.S. Cross, H. Ishiwara, Shinozaki, K. 2010. Characteristics of Metal-Ferroelectric- Insulator-Semiconductor Structure Using Sr0.8Bi2.2Ta2O9 and Sr0.8 Bi2.2Ta2O9 -BaZrO3 for Ferroelectric Gates, Microelectronic Engineering B, 87 (2010), 2173–2177.
[8] Chou, H. Y., Chen, T. M., Tseng, T. Y. 2003. Electrical and Dielectric Properties of Low-Temperature Crystallized Sr0.8Bi2.6Ta2O9+x Thin Films on Ir/SiO2/Si Substrates, Materials Chemistry and Physics, 82 (2003), 826-830.
[9] Li, A.,Wu, D., Ling, H., Yu, T., Wang, M., Yin, X., Liu, Z., Ming, N. 2000. Effect of Excess Bismuth on the Microstructure and Electrical Properties of Strontium BismuthTantalate (SBT) Thin Films, Thin Solid Films, 375 (2000), 215-219.
[10] Li, A.,Wu, D., Ling, H., Yu, T., Yin, X. Y., Liu, Z., Ming, N. 2000. Effect of Processing on the Characteristics of SrBi2Ta2O9 Films Prepared by Metalorganic Decomposition, Journal of Applied Physics, 88 (2000), 1035-1041.
[11] Zhu, X., Zhu, T., Ming, N. 2001. Microstructure of Grain Boundaries in (001) Oriented Strontium Bismuth Tantalate Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition, Applied Physics, 72 (2001), 503- 507. [12] Zubko, P.,Jung, D. J., Scott, J. F. 2006. Electrical Characterization of PbZro.4Ti0.6O3 Capacitors, Journal of Applied Physics, 100 (2006), 114113-1.
[13] Simões, A. Z.,RamÍrez, M. A., Longo, E., Varela, J. A. 2008. Leakage Current Behavior of Bi3.25La0.75Ti3O12 Ferroelectric Thin Films Deposited on Different Bottom Electrodes, Materials Chemistry and Physics, 107 (2008), 72-76.
[14] Hu, H.,Krupanidhi, S. B., 1994. Current Voltage Characteristic of Ultra fine Grained Ferroelectric Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films, Material Research Society 9 (1994), 1484-1498.
[15] Young, C.,Young, K., Gon, H., Jinsa, K., Choon-Nam, C., Chung-Hyeok, K. 2008. The International Conferance On Electrical Engineering, July 6-10, Japan, No.P.119.
[16] Celinska, J.,Joshi, V., Narayan, S., McMillian, L., Paz de Araujo, C. 2003. Effect of Scaling the Film Thickness on the Ferroelectric Properties of SrBi2Ta2O9 Ultra Thin Films. Applied Physics Letters, 82 (2003), 3937-3939.
[17] Pintile, L.,Vrejoiu, I., Hesse, D., Lerhun, G., Alexe, M. 2007. Ferroelectric Polarization Leakage Current Relation in High Quality Epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 Film, Physical Review, B 75 (2007), 104103.
[18] Simões, A. Z.,Ries, A., Stojanovic, B. D., Biasotto, G., Longo, E., Varela, J. A. 2007. Electrical Properties of Lanthanum Doped Bi4Ti3O12 Thin Films Annealed in Different Atmospheres, Ceramics International, 33 (2007), 1535-1541.
[19] Bozgeyik, M.S.,Jeffrey, S. C., Ishiwara, H., Shinozaki, K. 2009. Ferroelectric Properties of BaZrO3 Doped Sr0.8Bi2.2Ta2O9 Thin Films, Japanese Journal of Applied Physics, 49 (2009), 061403-1. [20] Bozgeyik, M.S.,Jeffrey, S. C., Ishiwara, H., Shinozaki, K. 2009. Effect of Ba and Zr Doping in Sr0.8Bi2.2Ta2O9 Thin Films, Materials Science and Engineering B, 161 (2009), 130–133.
[21] Chen, T.M.,Chou, H. Y., Tseng, T. Y. 2003. Electrical and Dielectric Properties of Low Temperature Crystallized Sr0.8Bi2.6Ta2O9+xThin Films on Ir/SiO2/Si Substrates, 82 (2003), 826-830. [22] Zhao, Y. P.,Wang, G. C., Lu, T. M., Palasantzas, G., Hosson, M. D. 1999. Surface Roughness Effect on Capacitance and Leakage Current of an Insulating Film, Physical Review B, 60 (1999), 9157-9163.
[23] Yang, J. K., Kim, W. S., Park, H. H.2001. Effect of Grain Size of Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 Sol-jel Drived Thin Films on the Ferroelectric Properties, Applied Surface Science, 544 (2001), 544-548.
[24] Leu, C. C.,Chen, C. Y., Chien, C. H., Chang, M. N., Hsu, F. Y., Hu, C. T.2003. Domain Structure Study of SrBi2Ta2O9 Ferroelectric Thin Films by Scanning Capacitance Microscopy, Applied Physics Letters, 83 (2003), 3493-3495.