Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям



Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям
Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям
Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям
Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям

 


Владельцы патента RU 2529823:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") (RU)

Изобретение относится к области применения сегнетоэлектрических материалов в качестве носителей записи информации. Технический результат заключается в уменьшении связанного с многократными переключениями эффекта усталости сегнетоэлектрической пленки. Способ повышения устойчивости сегнетоэлектрической пленки к многократным переключениям заключается в использовании сегнетоэлектрической пленки с минимальной длиной «усов» петли гистерезиса, с максимально квадратной петлей гистерезиса и максимально возможной частоты переключения. 4 ил.

 

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(Zr0.4Ti0.6)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(Zr0.5Ti0.5)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(Zr0.5Ti0.5)O3 для разных значений частоты переключающего поля хорошо видно, что пороговое значение циклов переключения, которое выдерживают пленки, растет с увеличением частоты.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в запоминающих устройствах компьютеров различного назначения, в создании видеоаудиоаппаратуры нового поколения, в разработке систем ассоциативных запоминающих устройств, создании банков данных с прямым доступом.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в запоминающих устройствах персональных ЭВМ. .

Изобретение относится к усовершенствованному многоразрядному магнитному запоминающему устройству с произвольной выборкой и способам функционирования и производства такого устройства.

Изобретение относится к лесной и эфиромзсличной промышленности, а именно к способам переработки древесной зелени сибирской пихты. .
Наверх