Auswirkung der Orientierung auf Polarisationswechsel und Ermüdung von Bi3.15Nd0.85Ti2.99Mn0.01O12 dünnen Filmen sowohl bei niedrigen als auch bei erhöhten Temperaturen

Hintergrund

Bi₄ Ti₃ O₁₂ (BIT)-basierte geschichtete ferroelektrische Dünnschichten waren schon immer eines der potentiellen ferroelektrischen Materialien, um das kommerzielle (Pb, Zr)TiO₃ . zu ersetzen (PZT)-basierter ferroelektrischer Direktzugriffsspeicher (FRAM) für seine hohe Curie-Temperatur, große remanente Polarisation und gute Anti-Ermüdungseigenschaften [1,2,3]. Die Gitterkonstanten des BIT-Kristalls entlang des c -Achse, a -Achse und b -Achse waren 3,284 nm, 0,544 nm bzw. 0,541 nm bei 300 K. BIT-Dünnfilme zeigen auch anisotrope Polarisationen, die etwa 4 und 50 μC/cm ² . betragen entlang seiner c - und a -Achse bzw. [4]. Es gibt zahlreiche Faktoren wie Schichtdicke, Vorläuferlösung und Glühbedingungen, die die Orientierung von Nd-substituiertem BIT (Bi_3.15 Nd_0,85 Ti₃ O₁₂ , BNT) Filme [5,6,7]. Hu entdeckte, dass unterschiedliche Dicken jeder Spin-on-Beschichtungsschicht BNT-Filme mit unterschiedlichen Orientierungen begünstigen können [5]. Yuet al. schlugen vor, dass eine 0,10 M Vorläuferlösung für BNT die besten ferroelektrischen und dielektrischen Eigenschaften aufweist [6]. Zhonget al. berichtete, dass Bi_3.15 Nd_0,85 Ti_2,99 Mn_0,01 O₁₂ (BNTM) dünner Film mit einer Glühtemperatur von 750 ^o C zeigte eine höhere Einstellbarkeit und Dielektrizitätskonstante als das Glühen von BNT-Dünnschichten bei einer Temperatur von 700°C [7]. Durch das Verdampfen von Wismut bei hohen Glühtemperaturen können jedoch hohe Leckströme und schlechte Ermüdungseigenschaften verursacht werden. Darüber hinaus wurde auch berichtet, dass BNT-Dünnfilme mit unterschiedlichen Orientierungen ein unterschiedliches Polarisationsermüdungsverhalten aufweisen [8]. Der Grund, warum verschiedene Ausrichtungen bei erhöhten Temperaturen unterschiedliche Ermüdungseigenschaften zeigten, war jedoch noch nicht sehr gut verstanden.

Ferroelektrisch basierende Speicher können in einem Temperaturbereich von – 40 bis 125 °C betrieben werden, was schwer fassbar sein kann, um die temperaturabhängige Änderung des Ermüdungsverhaltens von ferroelektrischen Materialien zu verstehen. Es wurde berichtet, dass die Ermüdungsbeständigkeit von BNT-Dünnfilmen eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit von 25 bis 125 °C zeigte, was der Tatsache zugeschrieben werden kann, dass die Wirkung des Domänen-Entpinnings mit steigender Temperatur schneller zunahm als die des Domänen-Pinnings. [9]. Bei Bi_{3 wurde jedoch ein entgegengesetztes Ermüdungsverhalten beobachtet. 25} Sm_{0. 75} V_{0. 02} Ti_{0. 98} O₁₂ dünne Filme, bei denen die Ermüdungsbeständigkeit mit steigenden Temperaturen abnimmt [10]. Es lässt sich verdeutlichen, dass viele beeinflussende Faktoren zusammenkommen, um den Trend des Ermüdungsverhaltens bei erhöhten Temperaturen zu bestimmen, wie in unserer früheren Arbeit berichtet [11]. Zhanget al. haben die Polarisationsschalteigenschaften von BNT-Dünnfilmen bei erhöhten Temperaturen untersucht und sind zu dem Schluss gekommen, dass der verstärkte Effekt der Elektroneninjektion aufgrund einer niedrigeren Schottky-Barriere bei hohen Temperaturen im Vergleich zu der bei niedrigen Temperaturen hochmobilere Defektladungen erzeugen kann, was eine Pinned-Domäne induzieren kann Wände und schwere Müdigkeit [12]. Frühere Berichte befassten sich jedoch hauptsächlich mit makroskopischen Leistungstests und vernachlässigten mikroskopischen Domänendynamiken, von denen angenommen wird, dass sie hauptsächlich das Polarisationsschalt- und Ermüdungsverhalten beeinflussen. Mit Hilfe von Impedanzspektratechniken, PFM und First-Principles-Theorie die mikroskopische Domänenentwicklung und Aktivierungsenergien von Sauerstoffleerstellen von BiFeO₃ dünne Filme können während der Polarisationsermüdungstests erfolgreich beobachtet werden [13]. Daher werden die Untersuchungen der mikroskopischen Domänendynamik und des Transportgesetzes von Sauerstoffleerstellen hilfreich sein, um das Ermüdungsverhalten anisotroper BNTM-Dünnschichten bei einer erhöhten Temperatur (T ).

Im folgenden Abschnitt wurden Polarisationswechsel und Ermüdungseigenschaften von BNTM-Dünnschichten mit (200)-Orientierung, (117)-Orientierung und gemischter Orientierung bei erhöhten Temperaturen von 200 bis 475 K untersucht. Das temperaturabhängige Ermüdungsverhalten dieser auch dünne Filme wurden beleuchtet. Die Kombination von temperaturabhängigen Impedanzspektren und PFM-Tests wurde vorgenommen, um die Transportmechanismen von Sauerstoffleerstellen und die mikroskopische Entwicklung von Domänen zu lernen. Unterschiedliche Transportmechanismen von Trägern von BNTM-Dünnfilmen mit unterschiedlichen Orientierungen für Ermüdungsverhalten bei erhöhtem T wird ausführlich besprochen.

Methoden

Alle Chemikalien und Reagenzien wurden von Sinopharm Chemical Regent, Co., Ltd. geliefert. Die Ausgangsvorläufermaterialien waren Bi(NO₃ )₃ ·5H₂ O (Reinheit ≥ 99,0%), Nd(NO₃ )₃ ·6H₂ O (Reinheit ≥ 99,0%), Ti(OC₄ H₉ )₄ (Reinheit ≥ 99,0%) und Mn(CH₃ COO)₂ ·4H₂ O (Reinheit ≥ 99,0%). Die Lösungsmittel waren 2-Methoxyethanol (Reinheit 99,0%) und Eisessig (Reinheit ≥ 99,5%) mit Acetylaceton (Reinheit ≥ 99,0%) als Chelatbildner. Ein Überschuss von 10 % Wismutnitrat wurde hinzugefügt, um einen möglichen Wismutverlust während des Hochtemperaturprozesses auszugleichen. Die Vorläuferlösungen wurden auf 0,04 µM, 0,08 µM und 0,1 µM eingestellt, die BNTM-1, BNTM-2 bzw. BNTM-3 Dünnfilmen entsprechen. Diese Detailarbeiten finden sich in unseren bisherigen Studien [14, 15]. Die Spin-On-Filme wurden zehnmal bei 700 °C für 2.5 min in O₂ . wiederholt für BNTM-1 und wurden viermal um 700 ^o . wiederholt C für 5 min in O₂ für BNTM-3, während die Temperprozesse viermal bei 650 ^o . wiederholt wurden C für 2.5 min in O₂ , und die letzte Schicht wurde einem zusätzlichen thermischen Prozess bei 720°C für 5 min in O₂ . unterzogen für BNTM-2. Pt-Top-Elektroden wurden mit einem Durchmesser von 200 µm durch DC-Sputtern abgeschieden.

Röntgenbeugung (XRD) mit Cu-K ɑ-Strahlung wurde verwendet, um den Texturierungszustand und die kristallographische Struktur solcher dünner Filme zu untersuchen. Ein Rasterelektronenmikroskop (SEM, Japan, Hitachi S4800) wurde durchgeführt, um die Oberflächen- und Querschnittsmorphologien dieser Filme zu charakterisieren. Ein Halbleitergeräteanalysator (Agilent, USA, B1500A), der mit einem temperaturgesteuerten Sondensystem kombiniert wurde, wurde verwendet, um temperaturabhängige dielektrische Eigenschaften und AC-Impedanzspektren solcher Filme zu messen. Ein im Handel erhältliches Z -View-Software wurde verwendet, um die Impedanzergebnisse zu analysieren. Ferroelektrische Testsysteme (USA, Radiant Technologies Precisions Workstations) wurden verwendet, um die Polarisationsermüdungseigenschaften zu messen. PFM-Tests (piezoresponse force microscopy) wurden unter Verwendung eines AFM-Systems (Atomkraftmikroskopie) (MFP-3D, USA, Asylum Research) unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Ein platinbeschichteter Silizium-Cantilever (Radius 15 nm, Federkonstante 2 N/m) wurde verwendet, um mit einer Spitzenhubhöhe von 30 nm bei 35 kHz zu scannen.

Ergebnisse und Diskussion

XRD-Muster von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnschichten wurden in Abb. 1 gezeigt. Um den Texturierungszustand zu quantifizieren, werden die Orientierungsgrade als α . definiert _hkl =Ich _(hkl) /(ich ₍₀₀₆₎ + Ich ₍₁₁₇₎ + Ich ₍₂₀₀₎ ), wobei ich _(hkl) die XRD-Spitzenintensität der (hkl)-Kristallebene ist. Die Grade von α ₂₀₀ und α ₁₁₇ von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnfilmen wurden 63,50 % und 29,23 %, 43,22 % und 48,5 % bzw. 32,11 % und 60,2 % gefunden. Ein (200)-orientiertes Wachstum von BNTM-1 und (117)-orientiertes Wachstum von BNTM-3 wurde beobachtet, während ein gemischt bevorzugtes Wachstum in BNTM-2 gezeigt wurde. Die Oberfläche und der Querschnitt solcher dünnen Filme werden mit REM-Methoden beobachtet, wie in Abb. 2a–g gezeigt. Die Oberfläche von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnfilmen besteht hauptsächlich aus kugelförmigen Körnern, einer Mischung aus plattenförmigen Körnern und stäbchenförmigen Körnern, wie in Abb. 2a–c gezeigt. , über das auch in anderen Arbeiten berichtet wurde [16]. Die Filmdicken von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 wurden durch die REM-Querschnittsbilder (wie in 2d–g gezeigt) auf 470 nm, 454 nm bzw. 459 nm geschätzt. Wie oben erwähnt, wurde eine schichtweise Kristallisation bei der Herstellung von BNTM-Dünnfilmen verwendet. Das Wachstum (117)-orientierter Kristalle wurde durch die dickere Spin-Coating-Schicht begünstigt, während das Wachstum von (200)-orientierten Kristallen aufgrund des geometrischen Effekts nicht durch die Schichtdicke eingeschränkt wurde, wie in Abb. 1b und c gezeigt. Die Dicken jeder Spin-Coating-Schicht von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnfilmen wurden auf 47 nm, 91 nm bzw. 115 nm geschätzt, was die (200)-orientierte, die gemischte -orientierte und die (117)-orientierten BNTM-Dünnfilme. Diese Ergebnisse wurden auch von Hu und Wu berichtet [5, 17].

XRD-Muster von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnschichten (a ) und schematisches Diagramm des (200)-Kornwachstums (b ) und (117)-Kornwachstum von dünnen Filmen (c )

REM-Oberflächen- und Querschnittsbilder:a , d BNTM-1; b , e für BNTM-2; c , f für BNTM-3

Die P-V Hystereseschleifen von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnschichten von 200 bis 400 K gemessen mit der maximalen Spannung (V _m ) von 16 V wurden in Abb. 3a–c gezeigt. Die remanente Polarisation 2P _r und Koerzitivspannung 2V _c solcher Filme hängen stark von T wie in Abb. 3d–f gezeigt, wobei die durchschnittliche Koerzitivspannung V _c (V _c =(V _c ⁺ -V _c ^- )/2) und 2P _r als Funktion von T unter verschiedenen V _m . Daraus kann geschlossen werden, dass 2P _r von BNTM-1 steigt zuerst als V _m kleiner als 10 V ist und abnimmt, wenn V _m ist mehr als 10 V mit zunehmendem T , während 2P _r von BNTM-2 und BNTM-3 steigt immer zuerst von 220 auf 300 K und sinkt dann von 300 auf 400 K unter dem gesamten Bereich von V _m . Es kann durch das größere Depolarisationsfeld an den Film/Elektroden-Grenzflächen von BNTM-2 und BNTM-3 erklärt werden, das durch die höhere Dichte der Domänenwände verursacht wird, während seine Mengen an Grenzflächen für BNTM-1 geringer sind. Die Werte von V _c von BNTM-1-Abnahme mit zunehmendem T als die Werte von V _m von 6 auf 16 V ansteigen, während die Werte von BNTM-2 und BNTM-3 zuerst steigen und dann mit zunehmendem T . sinken unter den Werten von V _m von 8 bis 10  V. Es sollte durch die Konkurrenz der Keimbildungsrate von Domänen und Domänen-Pinning-Unpinning mit zunehmendem T . ausgelöst werden , wobei die Keimbildungsrate von Domänen (n ) und das elektrische Aktivierungsfeld (α ) kann ausgedrückt werden alsn ∝ exp(−α /E ). Also, n spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Werte von V _c bei niedrigem T und kleines V _m , und ein zunehmendes V _c wird mit einer höheren Keimbildungsrate von Domänen erhöht. Die Domänenwandgeschwindigkeit hat stark die Wahrscheinlichkeit von Domänenwand-Pinning bestimmt, nachdem der Sättigungspunkt der Keimbildungsrate von Domänen bei hohem V . erreicht wurde _m und T . Domänenwandgeschwindigkeit (v ) und die Energiebarriere für das Domänenwachstum (U ₀ ) kann ausgedrückt werden als ν ∝ exp(−U ₀ /k _B T ), wobei k _B bedeutet die Boltzmann-Konstante [18]. Mit zunehmendem T , wurde der Domain-Unpinning-Effekt durch das zunehmende v . stark verstärkt . Somit ist die Tatsache, dass V _c nimmt mit zunehmendem T ab beim Sättigungswert von V _m kann an dem höheren v . liegen .

P -V Hystereseschleifen gemessen mit dem V _m von 16 V bei 1 kHz und Kurven von V _c und 2P _r als Funktionen von V _m bei erhöhten Temperaturen:a , d für BNTM-1; b , e für BNTM-2; c , f für BNTM-3

Die Ermüdungseigenschaften von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 von 300 bis 400 K sind in Abb. 4a–c dargestellt. Die Pulsamplituden betrugen 10 V bzw. 8 V für den Ablese- bzw. Ermüdungsvorgang. Die Beziehung von \( \pm {dP}_N={\left(\pm {P}_r^{\ast}\right)}_N-{\left(\pm {P}_r^{\wedge}\right )}_N \) kann so beschrieben werden, dass N ist die Anzahl der Schaltzyklen,P _N ist die Gesamtpolarisation, \( {P}_r^{\ast } \) ist die geschaltete remanente Polarisation zwischen den beiden entgegengesetzten Polaritätsimpulsen und \( {P}_r^{\wedge } \) ist die nicht geschaltete remanente Polarisation zwischen den gleichen zwei Polaritätsimpulsen. Nach 1 × 10 ⁹ Zyklen Impulsschaltung, die Reduzierungen von dP _N von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 betrugen 0 %, 32,5 % und 41,2 % bei 300 K, 7,4 %, 51,4 % und 31,2 % bei 350 K und 11,3 %, 34,5 % und 15,7 % bei 400 K bzw. Die Ermüdungseigenschaften von BNTM-1 werden ernster und diese von BNTM-3 zeigen einen umgekehrten Trend von 300 auf 400 K, während die Ermüdungseigenschaften von BNTM-2 von 300 auf 350 K ernster werden und sich von 350 auf 400 .K verbessern K. Zuerst, die verbesserten Ermüdungseigenschaften von BNTM-3 von 300 auf 400 K sollten auf die verstärkte Wirkung des Entpinnings der Domänenwand zurückzuführen sein [11, 18, 19, 20]. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Konkurrenz zwischen Domänen-Pinning und dem Wachstum der toten Schicht immer ein offensichtlicher Effekt auf die Polarisationsermüdung war [21, 22]. Bei BNTM-1 ist das Wachstum der toten Schicht der dominierende Faktor, und die Langstreckendiffusion von Sauerstoffleerstellen wird mit zunehmendem T . verstärkt und trägt zur Zunahme der Dicke der toten Schicht bei, was auch durch die Abnahme der dielektrischen Reaktion nach dem Ermüdungsprozess aus Fig. 4d bestätigt werden kann. Bei BNTM-2 spielt der Effekt des Totschichtwachstums zunächst bei T . eine große Rolle von 300 auf 350 K während der Ermüdungstests, und dann führt der verstärkte Domänen-Unpinning-Effekt zu verbesserten Ermüdungseigenschaften von 350 auf 400 K. Dies wurde auch in einigen anderen Arbeiten diskutiert [22, 23].

Diagramme der Polarisationsermüdungskurven und Dielektrizitätskonstante (ε _r ) vs. Häufigkeit sowohl im frischen als auch im erschöpften Zustand:a , d für BNTM-1; b , e für BNTM-2; c , f für BNTM-3

Die Diagramme der Dielektrizitätskonstante (ε _r ) gegen die Frequenz vor und nach dem Ermüdungsprozess wurden weiter durchgeführt, um den Wachstumseffekt der toten Schicht zu untersuchen, wie in Abb. 4d–f gezeigt. Die Werte von ε _r solcher dünnen Filme nehmen mit zunehmendem T . zu , was darauf hindeutet, dass der Domain-Unpinning-Effekt mit zunehmendem T stärker wird Die Änderung der Werte von ε _r von BNTM-1 und BNTM-3 nach Ermüdungsprozess steigt mit zunehmendem T . Dies kann durch den kombinierten Effekt der weitreichenden Diffusion entfernbarer Träger und des Wachstums der toten Schicht bei erhöhtem T . erklärt werden . Bei BNTM-1 und BNTM-3 nimmt die Dicke der toten Schicht mit zunehmendem T . zu und wird der Haupteinfluss auf den Wert von ε _r , was zur Reduzierung von ε . führt _r von BNTM-1 und BNTM-3. Die Änderung der ε _r von BNTM-2 zeigte eine schwache Korrelation, die erklärt wurde, dass eine große Menge geladener Domänenwände, die durch die Migration von Sauerstoffleerstellen während des Ermüdungsprozesses gebildet wurden, an der dielektrischen Reaktion beteiligt war, die den Anstieg von ε _r für BNTM-2.

AC-Impedanzspektrentests wurden verwendet, um den Leitwertmechanismus vor und nach dem Ermüdungsprozess im Temperaturbereich von 300 bis 475 K zu untersuchen. Abb. 5a–c zeigt die reale und imaginäre Impedanz (Z´ und Z" ) wenn die Frequenz von 1 MHz auf 1 kHz abnimmt. Der Kornbeitrag kann durch Hochfrequenzbögen reflektiert werden. Die nichtlineare Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate wurde durchgeführt, um den Widerstand von Körnern (R _g ) von BNTM-Filmen, die auch von Bai et al. [24]. Die R _g folgt Arrhenius‘ Beziehung alsR _g ∝ exp(−E _a /k _B T ), wobei E _a repräsentiert die durchschnittliche Aktivierungsenergie von Ladungsträgern während des Leitfähigkeitsprozesses und k _B bedeutet Boltzmann-Konstante [25]. Die Kurven von ln(R _g ) vs. 1000/T wurden in Abb. 5d–f gezeigt. Es wurde festgestellt, dass der Wert von R _g steigt nach 1,6 × 10 ⁹ . etwas an Pulszyklen, woran man erkennen kann, dass die Trägerpopulation mit zunehmendem T . zunahm und ein Teil der Sauerstoffleerstellen oder injizierten Elektronen wurde während des Ermüdungsprozesses von geladenen Domänenwänden eingefangen [26, 27]. Die Werte von E _a für BNTM-1 waren 0,12-0,13 eV von 425 bis 475 K und viel kleiner als die Werte von BNTM-2 und BNTM-3. Die großen Werte von E _a (0,12-0,31 eV) werden im Allgemeinen als Beitrag der Migration von Sauerstoffleerstellen innerhalb ihrer Cluster betrachtet [25]. Es kann geschätzt werden, dass die Diffusion von Sauerstoffleerstellen über große Entfernungen in BNTM-1-Dünnfilmen leichter erfolgt, was weiter darauf zurückzuführen ist, dass die Dichte der Domänenwände von (200)-orientierten Dünnfilmen geringer war als die von (117)- orientierte und gemischt orientierte dünne Filme. Die schematischen Darstellungen der Domänen und Domänenwände (200)-orientierter und (117)-orientierter BNTM-Dünnfilme wurden wie in Abb. 6a–b gezeigt erstellt. Es ist ersichtlich, dass die (200)-orientierten Dünnfilme hauptsächlich aus einer 180°-Domäne bestehen und die Breite der Domänenwand viel kleiner ist als die von (117)-orientierten Domänen, die eine starke horizontale Polarisationskomponente aufweisen. Die Schwanz-Schwanz- oder Kopf-an-Kopf-Polarisationskonfigurationen, die den Pinning-Effekt für Domänenwände induzieren können, können bei (117)-orientierten Domänen leichter auftreten. Daher die Frage, warum (200)-orientierte BNTM-Dünnschichten mit zunehmendem T . das entgegengesetzte Ermüdungsverhalten zeigen im Vergleich zu (117)-orientierten BNTM-Dünnschichten erklärt werden. Da BNTM-1 hauptsächlich aus (200)-orientierten Domänen bestand, sollte die Diffusion von Sauerstoffleerstellen eine entscheidende Rolle für das Ermüdungsverhalten mit zunehmendem T . spielen . Und für BNTM-3 mit einem Großteil (117)-orientierter Domänen sollten temperaturabhängig größere Domänenwände mit größerer Breite die Hauptursache sein. Die intensive Diffusion von Sauerstoffleerstellen mit zunehmendem T kann das Wachstum einer toten Schicht fördern, die zu ernsthafter Ermüdung führt, während die Breite der Domänenwand mit zunehmendem T kleiner werden kann Dadurch lassen sich verbesserte Ermüdungseigenschaften erzielen.

Impedanzdiagramme bei erhöhter Temperatur und Ln(R _g ) vs. 1000/T Arrhenius zeigt sowohl im frischen als auch im erschöpften Zustand:a , d für BNTM-1; b , e für BNTM-2; c , f für BNTM-3

a , b Schematische Domänenstruktur im a –b Ebene der (200)-orientierten und (117)-orientierten BNTM-Dünnschichten (die Domänenorientierung kann den Pfeilen folgen)

Um unsere Richtigkeit der oben genannten Modelle zu überprüfen, wurden die mikroskopischen Domänenstrukturen von BNTM-1, BNTM-2 und BNTM-3 Dünnfilmen mit der PFM-Methode untersucht. AFM-Oberflächentopographie, OP (out-plane) PFM-Amplitudenbilder, OP PFM-Phasenbilder, IP (in-plane) PFM-Amplitudenbilder, IP PFM-Phasenbilder und vergrößerte PFM-Bilder einer bestimmten Region im roten ausgefüllten Quadrat von solche Filme wurden in Abb. 7a–o gezeigt. Die Regionen mit leuchtend gelben und dunklen Farben in OP-Phasenbildern entsprechen vertikal nach oben oder unten gerichteten 180°-Domänen, während die Regionen mit satten gelben und dunklen Farben in IP-Bildern seitlich linken oder rechten 90°-Domänen entsprechen. Es ist ersichtlich, dass die Phasen der seitlich rechten oder linken 90°-Domänen für BNTM-2 und BNTM-3 offensichtlicher sind als die von BNTM-1, wie in Abb. 7p–r gezeigt, was weiter verdeutlicht, dass (117) -orientierte Domänen haben eine starke horizontale Polarisationskomponente. IP-PFM-Bilder der vergrößerten spezifischen Region mit roten ausgefüllten Quadraten wurden in Abb. 7p–r gezeigt. Die cyanfarbenen gestrichelten Linien entsprechen den Grenzen der vertikal aufwärts und abwärts gerichteten 180°-Domänen in OP-Phasenbildern, wie in Abb. 7p–r gezeigt, während die blauen gestrichelten Linien den Begrenzungen der seitlich linken und rechten 90°-Domänen in IP . entsprechen Bilder. Wenn cyan gepunktete Linien in IP-Phasenbildern, die mit blau gepunkteten Linien markiert sind, nur an den Grenzen von dunklen und hellen Bereichen liegen, die Polarisationskonfigurationen mit Schwanz-an-Schwanz- oder Kopf-an-Kopf-Strukturen, die mit rot gepunkteten Linien markiert wurden in Abb. 7p–r werden gebildet und führen zur Akkumulation entgegengesetzter Ladungen für Domänenwände. Daraus kann geschlossen werden, dass die nicht neutralen Tail-to-Tail- oder Head-to-Head-Polarisationskonfigurationen bei BNTM-2- und BNTM-3-Dünnschichten mit größerer Wahrscheinlichkeit auftreten können als bei BNTM-1-Dünnschichten, wie in Abb .7p–r. Daher haben die Dichte der fixierten Domänenwände und die Breite der Domänenwände das temperaturabhängige Ermüdungsverhalten für (117)-orientierte Dünnschichten bestimmt. Somit können Domänenwände mit höherer Geschwindigkeit und geringerer Möglichkeit, Sauerstoffleerstellen einzufangen, die verbesserte Ermüdung bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu solchen bei niedrigeren Temperaturen erzielen [28].

AFM-Oberflächentopographie, OP-PFM-Amplitudenbilder, OP-PFM-Phasenbilder, IP-PFM-Amplitudenbilder, IP-PFM-Phasenbilder und vergrößerte PFM-Bilder einer bestimmten Region im roten ausgefüllten Quadrat:a –e, p für BNTM-1, f –j, q für BNTM-2, k –o , r für BNTM-3, und der Scanbereich beträgt 2 × 2 μm ²

Schlussfolgerungen

Abschließend wurden die Mechanismen der Orientierungen beim temperaturabhängigen Polarisationswechsel und den Ermüdungseigenschaften von BNTM-Dünnschichten systematisch erläutert. Es wurde festgestellt, dass sich die Ermüdungseigenschaften für (200)-orientierte Dünnschichten verschlimmern und für (117)-orientierte Dünnschichten mit zunehmendem T . verbessern . Die Akkumulation von Sauerstoffleerstellen an der Grenzfläche und Domänenwänden mit größerer Breite sollten die bestimmten Rollen für das Ermüdungsverhalten von (200)-orientierten und (117)-orientierten Dünnschichten mit zunehmendem T . sein , bzw. Die intensive Diffusion von Sauerstoffleerstellen mit zunehmendem T kann das Wachstum einer toten Schicht fördern, die ernsthafte Ermüdung verursacht, während die Breite der Domänenwand kleiner wird und verbesserte Ermüdungseigenschaften mit sich bringt, die durch einen verstärkten Domänen-Entpinning-Effekt mit zunehmendem T . beeinflusst werden . Für (200)-orientierte BNTM-Dünnschichten wurde eine niedrigere Aktivierungsenergie von 0,12–0,13 eV gefunden, verglichen mit 0,17–0,19 eV für (117)-orientierte. Die nicht neutralen Schwanz-Schwanz-Polarisationskonfigurationen mit größeren Wahrscheinlichkeiten für (117)-orientierte und gemischt-orientierte Dünnfilme wurden gefunden, während eine Mehrheit der neutralen Kopf-Schwanz-Polarisationskonfigurationen für (200)- orientierte. Daher haben die intensive Diffusion von Sauerstoffleerstellen und die Eigenschaften von Domänenwänden die Unterschiede im temperaturabhängigen Ermüdungsverhalten von BNTM-Dünnschichten mit unterschiedlichen Orientierungen bestimmt.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

BIT:

Bi₄ Ti₃ O₁₂

BNT:

Nd-substituiertes BIT

BNTM:

Bi_3.15 Nd_0,85 Ti_2,99 Mn_0,01 O₁₂

E _a :

Durchschnittliche Aktivierungsenergie der Träger

FRAM:

Ferroelektrischer Direktzugriffsspeicher

IP:

Im Flugzeug

k _B :

Boltzmann-Konstante

n :

Keimbildungsrate von Domänen

OP:

Aus Flugzeug

PFM:

Piezoresponse-Kraft-Mikroskopie

P _N :

Gesamtpolarisation

P _r :

Remanente Polarisation

P _r ^* :

Geschaltete remanente Polarisation

P _r ^{^} :

Nicht geschaltete remanente Polarisation

PZT:

(Pb, Zr)TiO₃

R _g :

Körnerwiderstände

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

U ₀ :

Energiebarriere für Domain-Wachstum

V _c :

Koerzitivspannung

V _m :

Maximale Spannung

XRD:

Röntgenbeugung

Z ”:

Imaginäre Impedanz

Z ':

Wirkliche Impedanz

α :

Aktivierung elektrisches Feld

ε _r :

Dielektrizitätskonstante