저온 및 고온에서 Bi3.15Nd0.85Ti2.99Mn0.01O12 박막의 편광 전환 및 피로에 대한 배향 효과

결과 및 토론

BNTM-1, BNTM-2 및 BNTM-3 박막의 XRD 패턴은 그림 1에 나와 있습니다. 텍스처링 상태를 정량화하기 위해 배향 정도를 α로 정의합니다. _hkl =나 _(hkl) /(나 ₍₀₀₆₎ + 나 ₍₁₁₇₎ + 나 ₍₂₀₀₎ ), 여기서 나 _(hkl) (hkl) 결정면의 XRD 피크 강도입니다. α의 정도 ₂₀₀ 그리고 α ₁₁₇ BNTM-1, BNTM-2, BNTM-3 박막의 비율은 각각 63.50%와 29.23%, 43.22%와 48.5%, 32.11%와 60.2%인 것으로 나타났다. BNTM-1의 (200) 방향 성장과 BNTM-3의 (117) 방향 성장이 관찰되었으며, BNTM-2에서는 혼합 선호 성장이 나타났습니다. 이러한 박막의 표면과 단면은 그림 2a-g와 같이 SEM 방법을 통해 관찰됩니다. BNTM-1, BNTM-2, BNTM-3 박막의 표면은 그림 2a-c의 관찰을 통해 각각 총알 모양의 입자, 판 모양의 입자가 혼합된 막대 모양의 입자로 구성되어 있다. , 다른 사람의 작품에서도 보고된 바 있다[16]. BNTM-1, BNTM-2 및 BNTM-3의 필름 두께는 단면 SEM 이미지를 통해 각각 470 nm, 454 nm 및 459 nm로 추정되었습니다(그림 2d–g 참조). 위에서 언급한 바와 같이, BNTM 박막의 제조에는 층별 결정화가 채택되었다. (117) 방향 결정의 성장은 더 두꺼운 스핀 코팅층에 의해 우세한 반면, (200) 방향 결정의 성장은 그림 1b 및 c와 같은 기하학적 효과로 인해 층 두께에 의해 제한되지 않았습니다. BNTM-1, BNTM-2, BNTM-3 박막의 각 스핀코팅층의 두께는 각각 47 nm, 91 nm, 115 nm로 추정되어 (200) 배향, 혼합 -방향성 및 (117)-방향성 BNTM 박막. 이러한 결과는 Hu와 Wu[5, 17]에 의해서도 보고되었습니다.

BNTM-1, BNTM-2 및 BNTM-3 박막의 XRD 패턴(a ) 및 (200)-곡물 성장의 개략도(b ) 및 (117) - 박막의 입자 성장(c )

SEM 표면 및 단면 이미지:a , d BNTM-1; ㄴ , e BNTM-2의 경우; ㄷ , f BNTM-3용

P-V 최대 전압(V _m )의 16 V가 그림 3a-c에 표시되었습니다. 잔류 편파 2P _r 및 강제 전압 2V _ㄷ 이러한 영화 중 T에 크게 의존 평균 보자 전압 V _ㄷ (V _ㄷ =(V _ㄷ ⁺ -V _ㄷ ^- )/2) 및 2P _r T의 기능으로 다른 V 아래 _m . 2P _r BNTM-1의 첫 번째 증가는 V _m 10 V 미만이고 V일 때 감소합니다. _m T가 증가함에 따라 10 V 이상입니다. , 2P _r BNTM-2 및 BNTM-3의 전체 범위는 V 전체 범위에서 항상 220에서 300 K로 먼저 증가한 다음 300에서 400 K로 감소합니다. _m . BNTM-2 및 BNTM-3의 필름/전극 계면에서 더 큰 탈분극 필드로 설명할 수 있는데, 이는 더 높은 밀도의 도메인 벽으로 인해 발생하지만 계면에서의 양은 BNTM-1의 경우 더 낮습니다. V의 값 _ㄷ T 증가에 따른 BNTM-1 감소 V의 값으로 _m 6에서 16 V로 증가하는 반면 BNTM-2 및 BNTM-3의 값은 먼저 증가하고 T가 증가함에 따라 감소합니다. V 값 아래 _m 8에서 10 V까지. T가 증가함에 따라 도메인의 핵 생성 속도와 도메인 고정-해제 경쟁에 의해 촉발되어야 합니다. , 여기서 도메인의 핵 생성 속도(n ) 및 활성화 전기장(α )는 n으로 표현할 수 있습니다. ∝ exp(−α /이 ). 따라서 n V의 값을 결정하는 결정적인 역할을 합니다. _ㄷ 낮은 T에서 작은 V _m , 증가하는 V _ㄷ 도메인의 더 높은 핵 생성 속도와 함께 증가할 것입니다. 도메인 벽 속도는 높은 V에서 도메인의 핵 생성 속도의 포화점에 도달한 후 도메인 벽 고정의 확률을 강력하게 결정합니다. _m 그리고 T . 도메인 벽 속도(v ) 및 도메인 성장을 위한 에너지 장벽(U ₀ )는 ν로 표현할 수 있습니다. ∝ exp(−U ₀ /카 _나 티 ), 여기서 k _나 볼츠만 상수[18]를 의미합니다. 증가하는 T , 증가하는 v에 의해 도메인 고정 해제 효과가 크게 향상되었습니다. . 따라서 V _ㄷ T가 증가함에 따라 감소합니다. V의 채도 값에서 _m 더 높은 v 때문일 수 있습니다. .

피 -V V로 측정된 히스테리시스 루프 _m 1 kHz에서 16 V 및 V 플롯 _ㄷ 및 2P _r V의 기능으로 _m 고온에서:a , d BNTM-1의 경우; ㄴ , e BNTM-2의 경우; ㄷ , f BNTM-3용

300 ~ 400 K에서 BNTM-1, BNTM-2 및 BNTM-3의 피로 특성이 그림 4a-c에 표시되었습니다. 펄스 진폭은 판독 및 피로 과정에 대해 각각 10 V 및 8 V였습니다. \( \pm {dP}_N={\left(\pm {P}_r^{\ast}\right)}_N-{\left(\pm {P}_r^{\wedge}\right의 관계 )}_N \)는 N으로 설명할 수 있습니다. 스위칭 사이클의 수, P _N 는 총 편파이고, \( {P}_r^{\ast } \)는 두 개의 반대 극성 펄스 사이의 스위칭된 잔류 편파이고, \( {P}_r^{\wedge } \)는 비-전환 잔류물입니다. 동일한 두 극성 펄스 사이의 분극. 1 × 10 ⁹ 이후 사이클 펄스 스위칭, dP 감소 _N 의 BNTM-1, BNTM-2, BNTM-3은 300 K에서 0%, 32.5%, 41.2%, 350 K에서 7.4%, 51.4%, 31.2%, 15에서 11.3%, 34.5%, 11.3%였다. 각각 400 K. BNTM-1의 피로특성은 더욱 심각해지고 BNTM-3의 피로특성은 300에서 400 K로 역경향을 보인 반면, BNTM-2의 피로특성은 300에서 350 K로 심화되어 350에서 400으로 개선됨 K. 처음에는, 300에서 400 K로 BNTM-3의 개선된 피로 특성은 도메인 벽 고정 해제의 향상된 효과에 기인해야 합니다[11, 18, 19, 20]. 도메인 고정과 데드 레이어의 성장 사이의 경쟁은 항상 편광 피로에 명백한 영향을 미친다는 사실을 알 수 있습니다[21, 22]. BNTM-1은 Dead layer의 성장이 지배적이며, T가 증가함에 따라 산소결손의 장거리 확산이 강화된다. 그리고 죽은 층의 두께 증가에 기여하며, 이는 Fig. 4d에서 피로 공정 후 유전 응답의 감소로도 증명될 수 있다. BNTM-2의 경우 T와 함께 먼저 Dead layer growth의 효과가 중요한 역할을 한다. 피로 시험 동안 300에서 350 K로, 그리고 강화된 도메인 풀림 효과는 350에서 400 K로 개선된 피로 특성으로 이어집니다. 이는 다른 연구에서도 논의되었습니다[22, 23].

분극 피로 곡선 및 유전 상수의 플롯(ε _r ) 대 신선하고 피로한 상태에서의 빈도:a , d BNTM-1의 경우; ㄴ , e BNTM-2의 경우; ㄷ , f BNTM-3용

유전 상수의 플롯(ε _r ) 대 주파수는 Fig. 4d-f와 같이 Dead layer growth effect를 조사하기 위해 피로 공정 전후에 더 수행되었다. ε의 값 _r T가 증가함에 따라 이러한 박막의 수가 증가합니다. , 이는 T.가 증가할수록 도메인 고정 해제 효과가 더 강해진다는 것을 나타냅니다. ε 값의 변화 _r 피로 과정 후 BNTM-1 및 BNTM-3의 증가는 T 증가에 따라 증가합니다. . 이는 제거 가능한 캐리어의 장거리 확산과 상승된 T에서 데드 레이어 성장의 결합된 효과로 설명할 수 있습니다. . BNTM-1 및 BNTM-3의 경우 T가 증가함에 따라 Dead layer의 두께가 증가합니다. ε의 값에 주요 영향을 미칩니다. _r , 이는 ε의 감소로 이어집니다. _r BNTM-1 및 BNTM-3. 그러나 ε의 변화는 _r BNTM-2의 경우 약한 상관관계를 보여 피로 과정에서 산소 결손의 이동에 의해 형성된 많은 양의 하전된 도메인 벽이 유전 응답에 참여하여 ε _r BNTM-2용.

AC 임피던스 스펙트럼 테스트는 300 ~ 475 K의 온도 범위에서 피로 과정 전후의 컨덕턴스 메커니즘을 연구하는 데 사용되었습니다. 그림 5a–c는 실제 및 허수 임피던스(Z' 및 Z" ) 주파수가 1 MHz에서 1 kHz로 감소함에 따라. 입자 기여는 고주파 아크에 의해 반영될 수 있습니다. 결정립의 저항을 추정하기 위해 비선형 최소제곱 피팅을 수행했습니다(R _g ) BNTM 필름의 경우 Bai et al.에서도 보고되었습니다. [24]. R _g Arrhenius의 관계를 R로 따릅니다. _g ∝ exp(−E _아 /카 _나 티 ), 여기서 E _아 전도 과정 동안 캐리어의 평균 활성화 에너지를 나타내며 k _나 볼츠만 상수[25]를 의미합니다. ln(R의 곡선 _g ) 대 1000/T 그림 5d–f에 나와 있습니다. R의 값은 _g 1.6 × 10 ⁹ 이후 약간 증가 펄스 주기, 이는 T가 증가함에 따라 운반체의 개체수가 증가했음을 설명할 수 있습니다. 산소 결손 또는 주입된 전자의 일부는 피로 과정 동안 하전된 도메인 벽에 의해 포획되었습니다[26, 27]. E의 값 _아 BNTM-1의 경우 425~475 K에서 0.12-0.13 eV였으며 BNTM-2 및 BNTM-3의 값보다 훨씬 작습니다. E의 큰 값 _아 (0.12-0.31 eV)는 일반적으로 클러스터 내 산소 결손 이동의 기여로 간주됩니다[25]. 산소 결손의 장거리 확산은 BNTM-1 박막에서 더 쉽게 발생하는 것으로 추정할 수 있으며, 이는 (200) 배향 박막의 자벽 밀도가 (117)- 배향 및 혼합 배향 박막. (200) 배향 및 (117) 배향 BNTM 박막의 도메인과 도메인 벽의 개략도는 그림 6a-b와 같이 만들어졌습니다. (200) 배향 박막은 주로 180° 영역으로 구성되어 있고, 자벽의 폭은 편광의 수평 성분이 강한 (117) 배향 영역보다 훨씬 작음을 알 수 있다. 도메인 벽에 대한 고정 효과를 유도할 수 있는 테일-투-테일 또는 헤드-투-헤드 편광 구성은 (117) 지향 도메인에서 더 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 (200) 배향 BNTM 박막이 T가 증가함에 따라 반대 피로 거동을 나타내는 이유는 (117) 배향 BNTM 박막과 비교하여 설명할 수 있습니다. 주로 (200) 방향 도메인으로 구성된 BNTM-1의 경우 산소 결손의 확산은 T가 증가함에 따라 피로 거동에 대한 결정적인 역할이어야 합니다. . 그리고 (117) 방향의 도메인이 대부분인 BNTM-3의 경우 온도에 따라 더 큰 너비의 도메인 벽이 주요 원인이어야 합니다. T 증가에 따른 산소 결손의 강렬한 확산 심각한 피로를 일으키는 데드 레이어의 성장을 촉진할 수 있지만 도메인 벽의 너비는 T가 증가함에 따라 작아질 수 있습니다. 따라서 개선된 피로 특성을 얻을 수 있습니다.

고온 및 Ln(R)에서의 임피던스 다이어그램 _g ) 대 1000/T 신선한 상태와 피로한 상태 모두에서 Arrhenius 플롯:a , d BNTM-1의 경우; ㄴ , e BNTM-2의 경우; ㄷ , f BNTM-3용

아 , b a의 도식적 도메인 구조 –b (200) 배향 및 (117) 배향 BNTM 박막의 평면(영역 배향은 화살표를 추적할 수 있음)

앞서 언급한 모델의 정확성을 검증하기 위해 BNTM-1, BNTM-2 및 BNTM-3 박막의 미세 영역 구조를 PFM 방법을 통해 연구했습니다. AFM 표면 지형, OP(평면 외) PFM 진폭 이미지, OP PFM 위상 이미지, IP(평면 내) PFM 진폭 이미지, IP PFM 위상 이미지 및 특정 영역의 확대된 PFM 이미지(빨간색 실선 정사각형) 이러한 필름은 그림 7a–o에 나와 있습니다. OP 위상 이미지에서 밝은 노란색과 어두운 색상이 있는 영역은 수직으로 위쪽 또는 아래쪽 180° 영역에 해당하는 반면 IP 이미지에서 진한 노란색과 어두운 색상이 있는 영역은 측면 왼쪽 또는 오른쪽 90° 영역에 해당합니다. 측면 오른쪽 또는 왼쪽 90° 영역의 위상은 그림 7p–r에 표시된 것처럼 BNTM-1보다 BNTM-2 및 BNTM-3에서 더 분명하며 이는 (117) 지향성 도메인은 편광의 강력한 수평 구성 요소를 가지고 있습니다. 빨간색 실선 사각형이 있는 확대된 특정 영역의 IP PFM 이미지가 그림 7p–r에 나와 있습니다. 청록색 점선은 그림 7p–r과 같이 OP 위상 이미지에서 수직으로 상하 180° 영역의 경계에 해당하고 파란색 점선은 IP에서 측면 왼쪽 및 오른쪽 90° 영역의 경계에 해당합니다. 이미지. 청록색 점선이 파란색 점선으로 표시된 IP 위상 이미지의 어둡고 밝은 영역 경계에 있을 때 빨간색 점선으로 표시된 꼬리에서 꼬리 또는 머리에서 머리 구조로 구성된 편광 구성 그림 7p–r에서 형성되고 도메인 벽에 반대 전하가 축적됩니다. BNTM-1 박막에 비해 BNTM-2 및 BNTM-3 박막에 대해 중성이 아닌 테일-투-테일 또는 헤드-투-헤드 편광 구성이 더 큰 확률로 발생할 수 있다고 결론지을 수 있습니다. 7p–r. 따라서 고정된 도메인 벽의 밀도와 도메인 벽의 너비는 (117) 배향 박막에 대한 온도 의존적 ​​피로 거동을 결정했습니다. 따라서 속도가 더 빠르고 산소 결손을 포착할 가능성이 적은 도메인 벽은 낮은 온도에 비해 높은 온도에서 개선된 피로를 실현할 수 있습니다[28].

AFM 표면 지형, OP PFM 진폭 이미지, OP PFM 위상 이미지, IP PFM 진폭 이미지, IP PFM 위상 이미지 및 빨간색 실선 정사각형 안의 특정 영역에 대한 확대된 PFM 이미지:a –피 BNTM-1의 경우, f –j, q BNTM-2의 경우 k –오 , r 각각 BNTM-3의 경우 스캔 영역은 2 × 2 μm ² 입니다.