Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ОТЖИГЕ ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Работа №102813

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

физика

Объем работы26
Год сдачи2000
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
17
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ПУБЛИКАЦИИ

Актуальность темы. В последнее десятилетие особое внимание уделяется исследованию физических характеристик и методов получения сегнетоэлектрических пленок в связи с расширением применения интегральных схем, содержащих сегнетоэлектрики (интегральные сегнетоэлектрики). Основной технологической проблемой является создание тонкопленочных сегнетоэлектрических конденсаторов с заданными свойствами, которые необходимы, в частности, для изготовления энергонезависимой памяти со сверхвысокой плотностью записи ин-формации.
Пленки, нанесенные методами золь-гель и лазерного напыления, являются аморфными или, как в случае цирконата-титаната свинца РЬ(2г,Т1)О3 (Р7Т), находятся в кристаллической фазе, не обладающей сегнетоэлектрическими свойствами. Поэтому для кристаллизации и получения необходимой фазы пленку подвергают дополнительному отжигу при высокой температуре. Показано, что наилучшие результаты удается получить при кратковременном отжиге с быстрым разогревом. Известно, что параметры пленок сильно зависят от неконтролируемых деталей этого быстрого процесса (длительностью несколько десятков секунд). В этой связи исследования кинетики кристаллизации и фазовых превращений исключительно важны для создания сегнето-электрических пленок.
Кроме того, исследования сверхбыстрых фазовых превращений в сильно неравновесных системах представляют собой важную научную проблему.
К моменту начала выполнения работы единственным методом изучения кинетики фазового превращения являлось рентгенографическое исследование в процессе отжига [1]. Однако длительное время, необходимое для измерений, не позволяет использовать этот метод для изучения быстрого отжига. Таким образом, только создание нового метода открывает возможности непосредственно в процессе отжига изучать кинетику кристаллизации и фазовых превращений.
Цель и задачи работы
Целью работы являлось исследование кинетики кристаллизации и фазовых превращений непосредственно в процессе термического отжига тонких пленок с использованием упругого рассеяния света.
Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
• создание экспериментальной установки для измерения параметров рассеянного света при отжиге пленок,
• исследование изменения морфологии поверхности при кристаллизации аморфных пленок модельного сегнетоэлектрика германата свинца РЬ5ОезОн(PGO),
• измерение характеристик упругого рассеяния света при отжиге с быстрым нагревом для выявления кинетики фазового превращения пирохлор-перовскит в пленках PZT и кристаллизации пленок титаната бария стронция (Ba,Sr)TiO3 (BST),
• выявление связи между изменением параметров рассеянного света и формированием кристаллической текстуры пленок на примере PZT на основании комплексных экспериментальных исследований,
• исследование влияния текстуры подложки на формирования текстурованного перовскита в пленках PZT.
Объекты исследования. В качестве модельного материала для отработки методов изучения кинетики кристаллизации аморфных пленок с помощью рассеяния света был выбран одноосный сегнетоэлектрик германат свинца Pb5Ge3O1 ((PGO). Это хорошо изученный сегнетоэлектрик, который может быть легко получен в аморфном состоянии и кристаллизуется при сравнительно низких температурах.
Исследования кинетики кристаллизации в BST были стимулированы тем, что, обладая большой диэлектрической проницаемостью, он является основным кандидатом для создания элементов динамической памяти (DRAM) новых поколений.
Основное внимание уделялось исследованию кинетики фазового превращения пирохлор-перовскит, а также формирования текстуры в пленках PZT. Значительный практический интерес этих исследований обусловлен возможностью использования PZT в широком круге интегральных устройств, особенно для создания элементов энергонезависимой памяти.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые изучена кинетика кристаллизации и фазового превращения в пленках непосредственно в процессе быстрого термического отжига благодаря использованию метода упругого рассеяния света,
- впервые определены энергии активации процесса кристаллизации в PGO и фазового превращения пирохлор-перовскит в PZT из температурных зависимостей интенсивности рассеянного света при различных скоростях нагрева,
- впервые установлена связь между параметрами рассеяния света и рентгеноструктурными характеристиками при фазовом превращении пирохлор-перовскит в пленках PZT,
- определены основные параметры, характеризующие кинетику кристаллизации пленок BST.
Практическая ценность. Разработана и апробирована оригинальная методика исследования кинетики кристаллизации аморфных пленок и фазовых превращений в тонких пленках, которая может быть использована для оптимизации технологий изготовления тонких пленок с заданными характеристиками.
На защиту выносится:
1. Использование методики измерения интегральной и угловой зависимости интенсивности света, отраженного от поверхности пленок непосредственно в процессе отжига для исследования кинетики кристаллизации и фазовых превращений в тонких пленках.
2. Применение модифицированной формулы Колмогорова - Аврами для описания процесса кристаллизации и фазовых превращений при изотермическом отжиге и постоянной скорости нагрева.
3. Использование кластерного анализа для описания кинетики кристаллизации как фазового перехода перколяционного типа.
4. Обнаружение связи между изменением параметров света рассеянного поверхностью пленок и рентгенографических характеристик при фазовом переходе пирохлор-перовскит в пленках PZT и при кристаллизации пленок BST.
5. Варианты кинетики фазового превращения при быстром высокотемпературном термическом отжиге в пленках PZT с различной температурой пиролиза.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 1Х-ом Международном симпозиуме по применению сегнетоэлектриков (ISAF IX, 1994, University Park, PA, USA), на VII-ом, XI-ом и XII-ом международных симпозиумах по Интегральным сегнетоэлектрикам (ISIF VII, 1995 и ISIF XI, 1999, Colorado Springs, СО, USA, ISIF XII, 2000, Aachen, Germany), на I-ой Азиатской конференции по Сегнетоэлектрикам (AMF I, 1995, Xi'an, China), на Осенних конференциях Общества Материаловедения (MRS FM, 1995, 1996, 1997 и 1998, Boston, MA, USA), на Весенних конференциях Общества Материаловедения (MRS SM, 1996 и 1999, San Francisco, CA, USA), на Ш-ей Европейской конференции по применению полярных диэлектриков (ECAPD III, 1996, Bled, Slovenia), на IX-ой Международной конференции по Сегнетоэлектричеству (IMF IX, 1997, Seoul, Korea), на 1-ом и П-ом Всероссийских семинарах "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (1997, Москва и 1999, Воронеж), на совместной Международной конференции ISAF XI, ECAPD IV и Electroceramics VI (1998, Montreux, Switzerland), на XV-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (1999, Ростов-на-Дону, Азов) и на IX-ой Европейской конференции по Сегнетоэлектричеству (EMF’IX, 1999, Praha, Czech Republic), на 18¬ой Международной конференции секции физики твердого тела Европейского физического сообщества (18th General Conference of Con¬densed Matter Division of European Physical Society, Montreux, Switzer¬land, 2000).
Публикации и вклад автора. Основные результаты исследований опубликованы в 27 печатных работах, из них 5 статей во всероссийских и зарубежных печатных изданиях. Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, проводимых в лаборатории сегнетоэлектриков НИИ ФПМ при Уральском государственном университете им. А.М. Горького, при частичной поддержке Грантов № 93-02¬2451 и № 96-02-19588 РФФИ, Гранта Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации, Гранта № NMV3OO Международного научного фонда ISF и Российского Правительства, Соросовского фонда (гранты а96-2031 и а97-2849) и Президента российской Федерации (стипендия аспиранта за 1997-98 учебный год).
Экспериментальные результаты исследования рассеяния света на частично закристаллизованных образцах получены лично автором. Автор принимал участие в исследовании кинетики кристаллизации и фазовых превращений в пленках PZT и BST, и обсуждении результатов под руководством профессора Шура В.Я. Математическая обработка, анализ и обобщение полученных данных, а так же формулировка выводов по результатам исследований проведены автором диссертации.
Образцы для исследований были предоставлены следующими группами:
" пленки PGO - Институтом Физики Микроструктур РАН, Нижний Новгород;
" золь-гель пленки PZT - Material Research Laboratory, Penn. State University, University Park, PA, USA;
■ золь-гель пленки PZT c 10% избытком свинца и пленки BST - IWE Institute fur Werkstoffe der Electronic, Rhein.-Wesff. Technishm Hochschule, Aachen, Germany.
Сотрудниками лаборатории сегнетоэлектриков, в коллективе которых автор работал в 1998-2000 гг., осуществлены следующие работы: изготовлен малоинерционный термостат с быстрым радиационным нагревом (к.ф.м.н. Негашев С.А. и к.ф.м.н. Субботин А.Л.), проведены рентгеноструктурные исследования образцов (к.ф.м.н. Бланкова Е.Б.), создана установка, позволяющая регистрировать изменения морфологии пленок при отжиге (к.ф.м.н. Субботин А.Л.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет ..150.. страниц, включая ..44.. рисунка и ..12.. таблиц. Список литературы содержит ..110.. наименований.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:
1. Разработана оригинальная методика исследования кинетики фазовых превращений, сопровождаемых изменением морфологии пленок, основанная на in situизмерении упругого рассеяния света и последующей математической обработки результатов измерений. Методика апробирована для исследования кинетики кристаллизации. Новый метод может быть использован при исследовании широкого круга кинетических явлений.
2. Кинетика кристаллизация в пленках германата свинца рассмотрена как фазовый переход перколяционного типа с критической зависимостью размеров кластеров кристаллической фазы от времени. Наблюдалось количественное согласие между средними размерами кристаллитов, определенными из рассеяния света, и результатами измерений с помощью сканирующего электронного микроскопа. Определена зависимость количества кристаллитов от времени.
3. Измерение интегральной интенсивности рассеяния света при различных скоростях нагрева позволило определить энергии активации: процесса кристаллизации в германате свинца 2.5 ±0.1 эВ и фазового превращения пирохлор-перовскит в PZT 2.4 ± 0.2 эВ.
4. Установлено, что при кристаллизации пленок титаната бария стронция при постоянной скорости нагрева растут только зародыши кристаллической фазы, возникшие в процессе пиролиза. Определены параметры, характеризующие кинетику кристаллизации и температура старта (Тй = 63 8°С).
5. Процесс фазового перехода в пленках PZT был разделен на основные стадии, соответствующие росту текстурованного перовскита: “задержки”, “быстрого” и “медленного” роста и рекристаллизации, которые сопровождаются выраженными изменениями в рассеянии света. Установлено, что переход от быстрой к медленной стадии соответствует изменению размерности роста перовскита (геометрической катастрофе).
6. Показано, что при отжиге пленок PZT текстура определяется только нижним электродом. Обнаружен эффект блокирования роста текстурованного перовскита зернами нетекстурованного перовскита, образовавшимися при пиролизе. Исследована кинетика поверхностного распада фазы перовскита в результате продолжительного отжига при высокой температуре.
7. Впервые анализ in situизмерений интегральной интенсивности рассеянного света и эволюции морфологии поверхности пленок в процессе быстрого термического отжига позволил определить кинетику фазового превращения без рентгенографических исследований.



1. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Trolier- McKinstry S., In Situ Investigation of Crystallization Kinetics in PZT Films by Light Scattering, - MRS Sym. Proc., V.433, Pittsburgh, PA: MRS, 1996, pp.351-356.
2. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Crystallization Kinetics of Amorphous Ferroelectric Films, — Ferroelectrics, 1997, V. 196, pp. 183-186.
3. Шур В.Я., Негашев С.А., Субботин А.Л., Пелегов Д.В., Борисова Е.А., Бланкова Е.Б., Тролиер-МакКинстри С., Эволюция фрактальной поверхности аморфных пленок цирконата-титаната свинца при кристаллизации, — ФТТ, 1999, Т.41, N.2, с. 306-309.
4. Shur V.Ya., Blankova Е.В., Subbotin A.L., Borisova E.A., Pelegov D.V., Hoffmann S., Bolten D., Gerhardt R., Waser R, Influence of Crystallisation Kinetics on Texture of Sol-Gel PZT and BST Thin Films, — J. Eur. Ceram. Soc., 1999, V.19, N.6-7, pp.1391-1395.
5. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten
D. , Gerhardt R., Waser R., Crystallization Kinetics and Texture of Sol-Gel PZT Thin Films, - Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 1999, V. 541, pp. 363-368.
6. Shur V.Ya., Negashev S.A., Rumyantsev E.L., Subbotin A.L., Makarov
S.D., Borisova E.A., Elastic Light Scattering as a Probe for Real-time Study of the Phase Transformation Kinetics, - Abstracts of the 9th IEEE Int. Symp. on the Applications of Ferroelectrics, University Park, PA, USA, 1994, p. 103.
7. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Blankova E.B., Borisova
E. A., Zykov S.A., Main Stages of Crystallization in Thin Ferroelectrics: Testing by Elastic Light Scattering, - Abstracts of 7th Int. Symp. on Integrated Ferroelectrics, Colorado Springs, CO, USA, 1995, p.58c.
8. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Blankova E.B., Borisova E.A., Zykov S.A., Evolution of Morphology During Thermal Annealing of Amorphous Ferroelectric Films, - Abstracts of 1st European Meeting on Integrated Ferroelectrics, Nijmegen, The Netherlands, 1995, p.41.
9. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Blankova E.B., Borisova E.A., Crystallization Kinetics of Amorphous Ferroelectric Films, — Abstracts of 1st Asian Meeting on Ferroelectrics, Xi'an, China, 1995, p.163.
10. Shur V.Ya., Rumyantsev E.L., Volegov V.V., Pelegov D.V., Borisova E.A., Zykov S.A., Evolution of the Fractal Surface of Amorphous Films During Crystallization, - Abstracts of MRS FM’95, Boston, MA, USA, 1995, p.403.
11. Shut V.Ya., Rumyantsev E.L., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., and Trolier-McKinstry S., Crystallization Kinetics in Polycrystal Ferroelectric PZT Films, — Ibid, p.319.
12. Shut V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Zykov S.A., Pelegov D.V., Trolier-McKinstry S., In Situ Investigation of Crystallization Kinetics in PZT Films by Light Scattering, - Abstracts of MRS SM’96, San Francisco, CA, USA, 1996, p.351.
13.Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Pelegov D.A., Trolier-McKinstry S., In Situ Investigation of Crystallization Kinetics in Sol-Gel PZT Films, - 3rd European Conference on Applications of Polar Dielectrics, Bled, Slovenia, 1996, p.
14. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Pelegov
D. V., In Situ Characterization of Thin Film Morphology by Elastic Light Scattering, - Abstracts of MRS FM’96, Boston, MA, 1996, p.121.
15. Shur V.Ya., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova E.A., Trolier- McKinstry S., Kinetics of Crystallization of Amorphous PZT Films During Rapid Thermal Annealing, — Ibid, p.96.
16. Шур В., Пелегов Д., Негашев С., Субботин А., Борисова Е., Эволюция фрактальной поверхности аморфных пленок в процессе кристаллизации, - Тез.докл. 1-го Всерос. семинара "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении», Мо¬сква, 1997, С.79.
17. Shur V.Ya., Blankova Е.В., Negashev S.A., Subbotin A.L., Borisova
E. A., Pelegov D.V., Trolier-McKinstry S., Influence of Crystallization Kinetics on Texture and Switching Characteristics of the Sol-Gel PZT Thin Films, - Abstracts of the 9th International Meeting on Ferroelectricity, Seoul, Korea, 1997, p.249.
18. Shur V., Subbotin A., Borisova E., Pelegov D., Sorkin L, Ivanov R., Trolier-McKinstry S., Evolution of Surface Morphology of Sol-Gel Films During Crystallization, - Abstracts of the MRS FM’97, Boston, MA, USA, 1997, p.15.
19. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Hoffmann S., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Influence of the Crystallisation Kinetics on the Texture and Ferroelectric Characteristics of Sol-Gel PZT and BST Thin Films, - Abstract Book of the Joint International Conferences ISAF ХГ98, ECAPD IV’98, Electroceramics VI’98, Montreux, Switzerland, 1998, p.166.
20. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Crystallization Kinetics, Texture and Ferroelectric Characteristics of Sol-Gel PZT Thin Films, — Abstracts of the MRS FM’98, Boston, MA, USA, 1998, p.296.
21. Шур В.Я., Бланкова Е.Б., Субботин А.Л., Борисова Е.А., Пелегов Д.В., Hoffmann S., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Эволюция морфологии ЦТС пленок при быстром термическом отжиге, — Тез.докл. П-го Всерос. семинара «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении», Воронеж, 1999, с.72-73.
22. Shur V.Ya., Blankova Е.В., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Kinetics of Texture Formation during Rapid Thermal Annealing of Sol-Gel PZT Films, - Abstracts of 11th Int. Symp. on Integrated Ferroelectrics, Colorado Springs, CO, USA, 1999, p.l55P.
23. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Morphological Evolution and Texture Formation During Rapid Thermal Annealing of Sol-Gel PZT Films, - Abstracts of MRS SM’99, San Francisco, CA, USA, 1999, p..
24. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Phase Transformation Kinetics in Sol-Gel PZT Thin Films during Rapid Thermal Annealing, - Abstracts of 9th European Meeting on Ferroelectricity, Praha, Czech Republic, 1999, p.270.
25. Шур В.Я., Бланкова Е.Б., Субботин А.Л., Борисова Е.А., Пеле- гов Д.В., Баранников А.В., Bolten D., Gerhardt R., Waser R, Кинетика фазового превращения в пленке PZT при быстром термическом отжиге, - Тез.докл. XV Всероссийской конференции по физике сегнето¬электриков, Ростов-на-Дону, г. Азов, 1999, с.276.
26. Shur V.Ya., Blankova Е.В., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Kinetics of Perovskite Phase Formation Thin Films during Rapid Thermal Annealing in Sol-Gel PZT, - Abstracts of 12th International Symposium on Integrated Ferroelectrics, Aachen, Germany, 2000, p.294.
27. Shur V.Ya., Blankova E.B., Subbotin A.L., Borisova E.A., Bolten D., Gerhardt R., Waser R., Phase Transformation Kinetics during Rapid Thermal Annealing of Sol-Gel PZT Films, — Abstracts of 18th General Con¬ference of Condensed Matter Division of European Physical Society, Mon¬treux, Switzerland, 2000, p.304.
1. Aungkavattana. P., Haartz. B., Rund. C. O., Trolier - McKinstiy. S. In-situ X - ray Studies of Phase Transformations in Lead Zirconate Titanate Thin Films during Annealing. - J. Thin Solid Films, 1995, V268, N 1-2, pp. 102-107.
2. Колмогоров A.H. К статистической теории кристаллизации металлов. — Известия АН СССР, сер. мат.-1937, N3, с.355-358.
3. Avrami М. Kinetics of Phase Change. I. General theory. - J.Chem. Phys., 1939, 7, pp.1103-1112.
4. Libera M., Chen M., Time - resolved Reflection and Transmisión Studies of Amorphous Ge-Те - Thin - Film Crystallisation. - J.Appl. Phys., 1993, V.73, N5, p.2227-2282.
5. Kissindger H.E. Reaction Kinetics in Differential Thermal Analysis. - J. Anal. Chem., 1957, V.29, pp. 1702-1706.
6. Shur V.Ya., Rumyantsev E.L., Makarov S.D., Subbotin A.L., Volegov V.V., Transient Current during Switching in Increasing Electric Field as a Basis for a New Testing Method, - Integrated Ferroelectrics, 1995, V. 10, pp.223-230.
7. Shur V.Ya., Rumyantsev E.L., Makarov S.D., Kinetics of Phase Transformations in Real Finite Systems: Application to Switching in Ferroelectrics, - J Appl. Phys., 1998, V.84, N.I, pp.445-451.
8. Griswold E.M;, Weaver L., Sayer M., Cadler ID., Phase Transformations in Rapid Thermal Processed Lead Zirconate Titanate, - J. Mater. Res., 1995, V.10, N. 12, pp. 3149-3159.
9. Пронин И.П., Зайцева H.B., Каптелов Е.Ю., Афанасьев В.П. Оптический контроль однофазности тонких поликристаллических сегнетоэлектрических пленок со структурой перовскита, — Ж. Изв. Акад. Наук, серия физическая, 1997, т.61, N2, с. 379-382.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.