ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - VŨ THỊ HUYỀN TRANG TÍCH HỢP TỤ ĐIỆN SẮT ĐIỆN MÀNG MỎNG PbZr0.4Ti0.6O3 CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP DUNG DỊCH TRÊN ĐẾ ĐƠN TINH THỂ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số : 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn kết nghiên cứu thực hướng dẫn khoa học TS Bùi Nguyên Quốc Trình Các kết trình bày Luận văn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Học viên Vũ Thị Huyền Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv TÓM TẮT viii CHƢƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Ứng dụng tụ điện sắt điện công nghiệp điện tử 1.1.1 Ứng dụng sensor .1 1.1.2 Trong nhớ FeRAM 1.2 Vật liệu điển hình sử dụng tụ điện sắt điện 1.2.1 Vật liệu cấu trúc peroskite kẹp lớp Bi 1.2.2 Họ vật liệu perovskite Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) 12 1.3 Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT đế đơn tinh thể đa tinh thể 16 1.3.1 Phương pháp lắng đọng laser xung (PLD) phún xạ RF .17 1.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hóa học 19 1.3.3 Phương pháp Sol- gel 20 1.4 Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ 23 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT 25 2.1 Phương pháp chế tạo điện cực TiO2/Pt 25 2.1.1 Chế tạo lớp TiO2 25 2.1.2 Chế tạo lớp Pt 26 2.2 Phương pháp chế tạo màng mỏng PZT 27 2.2.1 Nguyên lý phương pháp quay phủ (spin-coating) .27 2.2.2 Dung dịch tiền tố trình quay phủ 28 2.2.3 Quy trình chế tạo màng mỏng PZT 28 2.3 Chế tạo tụ điện sắt điện 31 2.3.1 Hệ phún xạ điện cực Pt 31 2.3.2 Cấu trúc tụ điện sắt điện 31 2.4 Thiết bị khảo sát đánh giá tụ điện sắt điện .33 2.4.1 Thiết bị nhiễu xạ tia X .33 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .34 2.4.3 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 35 2.4.4 Thiết bị đo điện trễ dòng rò 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Chế tạo màng mỏng Pt đế TiO2/SiO2/Si .39 3.1.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể 39 3.1.2 Khảo sát hình thái bề mặt 41 3.2 Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si 42 3.2.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT đế Pt/TiO2/SiO2/Si 42 3.2.2 Hình thái bề mặt màng mỏng PZT đế Pt/TiO2/SiO2/Si 45 3.2.3 Tính chất điện tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si 46 3.3 Khảo sát tính chất tụ điện Pt/PZT/Pt đơn tinh thể STO(111) 49 3.3.1 Cấu trúc tinh thể đế Pt/STO(111) 49 3.3.2 Hình thái bề mặt màng mỏng Pt đế đơn tinh thể STO(111) .51 3.3.3 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT đế Pt/STO(111) 52 3.3.4 Hình thái bề mặt màng mỏng PZT đế đơn tinh thể Pt/STO(111) .53 3.3.5 Tính chất điện tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) 54 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .67 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN, tập thể giảng viên người tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng giúp đỡ em nhiều trình em thực Luận văn Thạc sĩ Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Quang Hòa- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ThS Đỗ Hồng Minh- Học viện Kỹ thuật Quân CN Trần Văn Dũng người anh trai bảo, giúp đỡ em trình thực nghiệm, đo đạc, xử lý số liệu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới anh kỹ thuật viên em sinh viên nghiên cứu khoa học nhóm nghiên cứu TS Bùi Nguyên Quốc Trình trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt trình làm thực nghiệm Khoa Vật lý - ĐHKHTN Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nanô - ĐHCN Lời sau em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, anh chị đồng nghiệp, gia đình bạn bè bên cạnh ủng hộ, động viên em suốt trình học tập nghiên cứu hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu tài trợ từ đề tài mã số QG.14.08, Đại học Quốc gia Hà Nội, đề tài mã số 103.02-2012.81, Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Hà nội, ngày…… tháng…… năm 2015 Học viên: Vũ Thị Huyền Trang i BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử BLT Bismuth Titanate Lanthanum Bi4-xLaxTi3O12 CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor Dynamic Random Access Memory Bán dẫn ô-xit kim loại bù Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Ferroelectric Random Access Memory Microelectromechanical systems Bộ nhớ đọc lập trình xóa điện Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện Hệ cảm biến vi điện micro Metal Organic Chemical vapor Deposition Nanoelectromechanical systems Lắng đọng pha hóa học sử dụng tiền chất kim loại- hữu Hệ cảm biến vi điện nano PLD Non-Volatile Random-Access Memory Chemical Vapor Deposition Using Plasma Enhanced Pulsed Laser Deposition Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay Lắng đọng pha hóa học sử dụng plasma tăng cường Phương pháp laser xung PZT Lead Zircronate Titanate Pb1.2Zr0.4Ti0.6O3 SBT Strotium Bismuth Tantalate SrBi2Nb2O9 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét STO Strontium Titanate SrTiO3 DRAM EEPROM FeRAM MEMS MOCVD NEMS NVRAM PECVD ii Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực phương pháp phún xạ……….32 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể wurtzite AlN thể với nguyên tử Al màu xám, N màu lam Các tâm tứ diện Al xếp theo định hướng với (song song với trục c) nguyên tử liền kề xếp theo khối kim tự tháp Hình 1.2: Sự biến dạng sắt điện điển hình cấu trúc perovskite ABO3, ion A (đỏ) góc tinh thể, io B (lam) nằm gần tâm tinh thể, ion O (trắng) nằm gần tâm mặt tinh thể Theo phát triển phân cực tự phát, biến dạng tự phát phát triển theo Hình 1.3: Sự phân tích biến dạng khác vật liệu áp điện .6 Hình 1.4: Các cảm biến thông dụng mô hình dẫn động hệ vi điện tử áp điện a) Mô hình uốn cong e31,f (đôi gọi d31) cho màng điện cực đáy đỉnh Sự không đồng cấu trúc tinh thể uốn cong màng áp điện thu hẹp đóng vai trò lớp đàn hồi thụ động b) Sự uốn cong vuông góc mở rộng cấu trúc dẫn động d33 sử dụng điện cực lược Để xác định điện trường tác động vào thiết bị, lớp áp điện bên nên điện môi Lớp rào ZrO2 oặc HFO2 thường yêu cầu để cải thiện phản ứng lead-base perovskite Si lớp đàn hồi SiO2 c) Chuyển động pitton hệ số d33 vuông góc Chú ý: PZT Pb(Zr,Ti)O3, E điện trường, Pr độ phân cực tự phát Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động nhớ FeRAM Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể Bi4-xLaxTi3O12 10 Hình 1.7: Đường cong phân tích nhiệt vi sai Bi3.25La0.75Ti3O12 .10 Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể Sr(BixTa1-x)2O9 .12 Hình 1.9: Giản đồ pha gốm Pb(ZrxTi1-x)O3 .14 Hình 1.10: Ảnh hưởng tỷ lệ Zr/Ti lên số điện môi hệ số áp điện Pb(ZrxTi1-x)O3 14 Hình 1.11: Sự phụ thuộc độ phân cực tinh thể sắt điện vào nhiệt độ .15 Hình 1.12: Đường cong điện trễ vật liệu sắt điện 16 iv Hình 1.13: Sơ đồ bốc bay laser xung .17 Hình 1.14: Nguyên lý phún xạ 18 Hình 1.15: Các sản phẩm kỹ thuật sol-gel 21 Hình 1.16: Quá trình quay phủ 22 Hình 2.1: Máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (ảnh Phòng thí nghiệm Micro-nano, ĐHCN, ĐHQGHN) 25 Hình 2.2: Hệ phún xạ cao áp chiều trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 26 Hình 2.3: Đế đơn tinh thể STO .26 Hình 2.4: Đế STO sau chế tạo lớp Pt .27 Hình 2.5: Quá trình quay phủ (spin-coating) 27 Hình 2.6: Sơ đồ quy trình chế tạo màng mỏng PZT sử dụng lò ủ nhiệt chậm .28 Hình 2.7: Mô hình đế Pt/TiO2/SiO2/Si (a) đế Pt/STO (b) sau chế tạo màng mỏng PZT 29 Hình 2.8: Quy trình sol-gel phòng sạch: (a) quay-phủ mẫu, (b) sấy mẫu, (c) lò ủ nhiệt chậm 30 Hình 2.9: Phún xạ cao áp chiều .31 Hình 2.10: Cấu trúc tụ điện sắt điện (a) Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si (b) Pt/PZT/Pt/STO 32 Hình 2.11: Mặt nạ sử dụng chế tạo điện cực 32 Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ chùm tia X mặt phẳng tinh thể .33 Hình 2.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU 34 Hình 2.14: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM 35 Hình 2.15: (a) Hình ảnh chụp đo phổ lực AFM, (b) Sự biến đổi lực tương tác mũi dò bề mặt mẫu theo khoảng cách 36 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower 37 Hình 2.17: Đặc trưng dòng rò vật liệu điện môi .37 Hình 2.18: Thiết bị đo đường cong điện trễ dòng rò Radiant Precision LC 10 38 v Hình 3.1: Ảnh hưởng công suất lên cấu trúc màng mỏng Pt chế tạo đế TiO2/SiO2/Si 40 Hình 3.2: So sánh chất lượng màng mỏng Pt chế tạo đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, (c) sử dụng hệ Jeol JFC1200 41 Hình 3.3: So sánh hình thái bề mặt từ ảnh AFM màng mỏng Pt chế tạo đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, (c) sử dụng hệ Jeol JFC-1200 41 Hình 3.4: Ảnh SEM cắt dọc màng mỏng Pt chế tạo đế TiO 2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 42 Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X màng mỏng PZT ủ 600oC đế Pt thương mại 43 Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X màng mỏng PZT kết tinh 600 oC đế Pt sử dụng hệ phún xạ sử dụng hệ Jeol JFC-1200 44 Hình 3.7: Ảnh SEM màng mỏng PZT (ủ 600oC) đế Pt/TiO2/SiO2/Si sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200: (a) phóng đại 30,000 lần, (b) phóng đại 150,000 lần 45 Hình 3.8: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si 46 Hình 3.9: Đặc trưng điện trễ (P-E) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước ủ điện cực Pt 47 Hình 3.10: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước ủ điện cực Pt 47 Hình 3.11: Đặc trưng điện trễ (P-E) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si sau ủ điện cực Pt 48 Hình 3.12: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si sau ủ điện cực Pt 49 Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X màng mỏng Pt chế tạo đế đơn tinh thể STO(111) 50 vi Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang trình ủ nhiệt độ môi trường ủ Kết cấu trúc đa tinh thể PZT (Hình 3.16) có phần cấu trúc đa tinh thể màng mỏng Pt (Hình 3.13), tức tối ưu lớp Pt quan trọng 3.3.4 Hình thái bề mặt màng mỏng PZT đế đơn tinh thể Pt/STO(111) Hình 3.17 Hình 3.18 ảnh SEM AFM bề mặt PZT chế tạo đế đơn tinh thể Pt/STO(111) Từ kết ảnh SEM thấy rằng, bề mặt PZT có hình thành biên hạt rõ ràng, thể màng mỏng có cấu trúc đa tinh thể, phù hợp với kết đo nhiễu xạ tia X Hình 3.16 Độ nhám lớn màng mỏng PZT khoảng nm ảnh AFM Hình 3.17: Ảnh SEM màng mỏng PZT chế tạo đế đơn tinh thể Pt/STO(111) Hình 3.18: Ảnh AFM màng mỏng PZT chế tạo đế đơn tinh thể Pt/STO(111) Trường ĐHKHTN 53 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang 3.3.5 Tính chất điện tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) Tương tự phần tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, chế tạo tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111) có cấu trúc Hình 3.19 Trong cấu trúc lớp điện cực đáy Pt có độ dày 50 nm, khác với độ dày 200 nm tụ điện Hình 3.8 Quy trình điều kiện chế tạo lớp màng mỏng cấu trúc hai tụ điện giống nhau, trừ đế độ dày lớp điện cực đáy Pt Hình 3.19: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) a Đặc trƣng điện trễ tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) Hình 3.20 Hình 3.21 kết đo đặc trưng điện trễ P-E tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) trước sau ủ nhiệt 450oC, môi trường không khí thời gian 15 phút, phân tích phần kết tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si.Kết đo thực tụ điện có diện tích tròn đường kính 500 m, điện tác dụng thay đổi từ V đến V, để dễ dàng so sánh với kết P-E thu Hình 3.9 Hình 3.11 Từ kết Hình 3.20 thấy rằng, đặc trưng điện trễ P-E thể rõ ràng, điện tác dụng khoảng V Khi điện tăng lên V, đường điện trễ thể đặc tính bão hòa rõ ràng, có tính đối xứng cao Độ phân cực dư (Pr) điện trường không thu khoảng 38 C/cm2 ứng với điện tác dụng V (hay điện trường 250 kV/cm) Giá trị lớn nhiều so với Pr = C/cm2 tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Hình 3.9 Sự cải thiện rõ ràng tính chất sắt điện tụ điện sắt điện cho thấy vai trò hỗ trợ mọc định hướng đế đơn tinh thể STO(111) so với đế SiO2/Si Ngoài ra, kết phù hợp với kết Trường ĐHKHTN 54 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang phân tích nhiễu xạ tia X Hình 3.6 Hình 3.16 so sánh hai tụ điện, cường độ đỉnh PZT(100) chiếm ưu trong tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si mà làm cho tính chất màng mỏng PZT giảm rõ rệt Từ Hình 3.20, xác định lực kháng điện 2Ec thay đổi từ khoảng 140 kV/cm tương ứng với điện tác dụng V đến khoảng 180 kV/cm tương ứng với điện tác dụng V Hình 3.20: Đặc trưng điện trễ (P-E) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) trước ủ điện cực Pt Tương tự phần khảo sát tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si, Hình 3.21 cho thấy ảnh hưởng trình ủ điện cực Pt ảnh hưởng rõ rệt đến đường cong điện trễ P-E tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111) Có thể ước tính giá trị Pr = 25 C/cm2 2Ec = 100 kV/cm sau ủ, Pr 2Ec nhỏ rõ rệt so với kết thu Hình 3.20 Tuy nhiên, mức độ đối xứng đường điện trễ cải thiện sau ủ, tính điện trễ thể điện tác dụng V Hình 3.21 Kết minh chứng rõ ràng cho hiệu ủ nhiệt cải thiện tiếp xúc điện cực Pt lớp sắt điện PZT, từ nâng cao tính chất màng mỏng sắt điện Trường ĐHKHTN 55 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang Hình 3.21: Đặc trưng điện trễ (P-E) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) sau ủ điện cực Pt b Đặc trƣng dòng rò tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) Đặc trưng dòng rò I-t tụ điện Pt/PZT/Pt/STO(111) đo trước sau ủ thực quy trình ủ điện cực Kết thu Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.22: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) trước ủ điện cực Pt Trường ĐHKHTN 56 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang Trước ủ điện cực, dòng rò cao khoảng 2×10-4 A chưa ổn định thời gian tăng, ứng với trường hợp điện tác dụng V, Hình 3.22 Tuy nhiên, sau ủ, dòng rò giảm xuống khoảng 1×10-5 A ứng với điện tác dụng V Kết minh chứng cho quy trình ủ điện cực cần thiết để ổn định bề mặt tiếp xúc làm giảm dòng rò, nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động thiết bị, đặc biệt giảm tiêu hao lượng hao phí thiết bị trạng thái nghỉ Hình 3.23: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) sau ủ điện cực Pt Trường ĐHKHTN 57 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chế tạo thành công màng mỏng Pt đế TiO2/SiO2/Si sử dụng thiết bị phún xạ BOC Edwards Jeol JFC-1200, nhằm thay đế Pt thương mại Kết phân tích XRD quan sát hình thái bề mặt AFM cho thấy chất lượng màng mỏng Pt sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 có chất lượng đế thương mại, có công nghệ chế tạo đơn giản cần chân không mức 0,1 Pa chủ động tích hợp tụ điện sắt điện nhớ sắt điện theo cấu trúc mong muốn Kết thu cho thấy, màng mỏng Pt chế tạo có định hướng ưu tiên (111) có hình thái bề mặt xếp chặt Khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, đặc trưng điện trễ P-E đặc trưng dòng rò I-t tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Kết phân tích XRD cho thấy màng mỏng PZT có định hướng (111) (100) hình thành rõ ràng, hình thái bề mặt hình thành biên hạt với kích thước lớn khoảng 150 nm nhỏ khoảng 30 nm Mặc dù đặc trưng điện trễ tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si chưa bão hòa đạt mức độ phân cực dư cao, dòng rò có giá trị nhỏ khoảng 10-7 A, mà so sánh với màng mỏng PZT chế tạo đế Pt thương mại Ở đây, hiệu ứng ủ điện cực Pt cho thấy tính hiệu cải thiện lớp tiếp xúc Pt PZT để nâng cao khả hoạt động tụ điện Đã cải thiện tính chất tụ điện sắt điện dạng Pt/PZT/Pt thông qua sử dụng đế đơn tinh thể STO(111) thay cho đế SiO2/Si truyền thống, từ quan điểm mọc tinh thể theo chế định hướng Tuy nhiên, kết phân tích XRD cho thấy, màng mỏng Pt với độ dày 50 nm hình thành đế STO(111) không hoàn toàn theo định hướng (111), bề mặt màng phẳng không quan sát biên hạt Từ kết quan sát ảnh AFM cho thấy độ nhám màng mỏng Pt/STO(111) khoảng 0,122 nm Tích hợp thành công tụ điện sắt điện có cấu trúc Pt/PZT/Pt/STO Kết phân tích XRD cho thấy màng mỏng PZT đế Pt/STO(111) có định hướng ưu Trường ĐHKHTN 58 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang tiên theo phương (111) (100), nhiên định hướng (100) yếu so với trường hợp tụ điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Kết quan sát SEM AFM cho thấy màng mỏng PZT hình thành có biên hạt rõ ràng độ nhám lớn Đặc trưng điện trễ P-E cho thấy độ điện dư Pr = 38 C/cm2 lực kháng điện 2Ec = 180 kV/cm điện tác dụng V Giá trị có giảm tiến hành quy trình ủ điện cực trên, Pr = 25 C/cm2 2Ec = 100 kV/cm ứng với điện tác dụng V Dòng rò giảm từ 2×10-4 A xuống 1×10-5 A, tương ứng với điện tác dụng V, sau ủ Sử dụng đế đơn tinh thể STO(111) việc tích hợp tụ điện Pt/PZT/Pt cho thấy hiệu ứng rõ ràng Chất lượng màng mỏng PZT với độ điện dư cao dòng rò rõ ứng dụng nhớ sắt điện FeRAM hay sensor áp điện dạng MEMS/NEMS Tuy nhiên giá thành đế đơn tinh thể STO(111) thường cao gấp nhiều lần đế Si truyền thống, nên thương mại hóa, cần có bù trừ hài hòa tính thiết bị giá thành chế tạo Trường ĐHKHTN 59 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt V.T Dung, V.T.H Trang, N.V Dũng, T.V Dũng, N.Q Hòa, Đ.H Minh, B.N.Q Trình (20015), “Khảo sát chế tạo màng mỏng nano LaNiO3 Al thay đế Si tích hợp tụ điện sắt điện”, Hội nghị Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng toàn quốc lần 4, 13-16 tháng 10, Hà Nội, Việt Nam Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý kỹ thuật màng mỏng, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr 57-63 Nguyễn Huy Tiệp (2013), Nghiên cứu tính chất màng mỏng PZT cấu trúc nano chế tạo phương pháp dung dịch định hướng ứng dụng cho nhớ sắt điện, Luận văn thạc sĩ Vật liệu Linh kiện nano, Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Tiếng Anh Baek S.H., Park J., Kim D.M., Aksyuk V., Das R.R., Bu S.D., Felker D.A., Lettieri J., Vaithyanathan V., Bharadwaja S.S.N., Bassiri-Gharb N., Chen Y.B., Sun H.P., Folkman C.M., Jang H.W., Kreft D.J., Streiffer S.K., Ramesh R., Pan X.Q., Trolier-McKinstry S., Schlom D.G., Rzchowski M.S., Blick R.H., Eom C.B (2011), “Giant piezoelectricity on Si for hyperactive MEMS”, Science, 334, p 958 Burr G.W., Kurdi B.N., Scott J.C., Lam C.H., Gopalakrishnan K., Shenoy R.S (2008), “Overview of candidate device technologies for storage-class memory”, IBM J.Res & Dev, 52, pp 449-464 Choi K.J., Biegalski M., Li Y.L, Sharan A., Schubert J., Uecker R., Reiche P., Chen Y.B., Pan X.Q., Gopalan V., Chen L.Q., Schlom D.G., Eom C.B (2004), “Enhancement of ferroelectricity in strained BaTiO3 thin films”, Science, 306, p 1005 Trường ĐHKHTN 60 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang Cimallam V., Pezoldt J., Armbacher O (2007), “Group III nitride and SiC based MEMS and NEMS: material properties, technology and applications”, J Phys.D: Appl Phys, 40(20), p 6386 Damjanovic D (2010), “A morphotropic phase boundary sytem based on polarization rotation and polarization extension", App Phys Lett, 97(6), p 062906 Dekkers M., Nguyen M.D., Steenwelle R., Blank D.H.A., Rijinders G (2009), “Feroelectric properties of epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 thin films on silicon by control of crystal orientation”, Appl Phys Lett, 95, p 012902 10 T.V Dung, H Ha, H.T.T Tam, V.T Dung, N.V Dung, D.H Minh, V.T.H Trang, N.Q Hoa, B.N.Q Trinh (2015), “Investigation of structural and ferroelectric properties of Bi3.25La0.75Ti3O12 thin film”, Journal of Science and Technology, (accepted for publication on 26 Octorber) 11 Dutoit N.E., Wardle B.L (2007), “Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters”, AIAA J, 45(5), p 1126 12 Eom C.B., Editors G (2012), “Thin-film piezoelectric mems”, MRS Bulletin, 37, pp 1007-1017 13 Ekinci K.L., Roukes M.L (2005), “Nanoelectromechanical systems”, Rev Sci Instrum, 76, p 061101 14 Fu H.X., Cohen R.E (2000), “Polarization rotation mechanism for ultrahigh electromechanical response in single-crystal piezoelectrics”, Nature, 403, p 281 15 Fujimori Y., Nakamura T., and Takasu H (2003), “Controlling crystallization of Pb(ZrTi)O3 thin films on IrO2 electrodes at low temperature through interface engineering”, Applied Physics Letters, 82(8), pp 1263-1265 Trường ĐHKHTN 61 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang 16 Fufisawa H., Nakashima S., Kaibara K., Shimizu M., and Niu H (1999), “Size effects of epitaxial and polycrystalline Pb(Zr, Ti)O3 thin films gromn by metalorganic chemical vapor deposition”, Japanese Journal of Applied Physics, 38, pp 5392-5396 17 Gao Y., Masuda Y., Yonezawa T., Koumoto K (2003), “Preparation of SrTiO3 thin films by the liquid phase deposition method”, Materials Science and Engineering, B99, pp 290-293 18 Gupta S., Katiyar R.S (2001), “Temperature-dependent structural characteziration of sol-gel deposited strontium titanate (SrTiO3) thin films using Raman spectroscopy”, Journal of Raman Spectroscopy, 32, pp 885891 19 Haeni J.H., Irvin P., Chang W., Uecker R., Reiche P., Li Y.L., ChodhuryS., Tian W., Hawley M.E., Craigo B., Tagantsev A.K., pan X.Q., Streiffer S.K., Chen L.Q., Kirchoefer S.W., Levy J., Schlom D.G (2004), “Roomteperature ferroelectricity in strainned SrTiO3”, Nature, 430, p 758 20 N.Q Hoa, N.T.Xuyen, V.Q Viet, V.T.H Trang, H Ha, H.T.T Tam, V.T Dung, T.V Dung, B.N.Q Trinh (2015), “Study on ITO thin films prepared by multi-annealing technique”, Journal of Science and Technology, (accepted for publication on 26 Octorber) 21 Hong E.K., Trolier-McKinstry S., Smith R.L., Krishnaswamy S.V., Freidhoff C.B (2006), “Design of MEMS PZT circular diaphragm actuators to generate large deflections”, J Microelectromech Syst, 15(4), p 832 22 Hutchinson A.B., Truitt P.A., Schwab K.C., Sekaric L., Parpia J.M., Craighead H.G., Butler J.E (2004), “Dissipation in nanocrystalline-diamond nanomechanical resonators”, Appl Phys Lett, 84, p 972 23 Ikuta K., Tsukada M (1998), “Low-temperature deposition of SrTiO3 thin films by electron-cyclotron-resonance sputtering for monolithic microwave Trường ĐHKHTN 62 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang integrated circuits operating in the mm-wave band”, Japanese Journal of Physics, 37, pp 1960-1963 24 Ishiwara H (2009), “Current status of ferroelectric-gate Si transistors and challenge to ferroelectric-gate CNT transistors”, Current Applied Physics, 9, pp S2-S6 25 Karami M.A., Inman D.J (2012), “Powering pacemakers from heartbeat vibration using linear and nonlinear energy harvesters”, Appl Phys Lett, 100(4), p 042901 26 Khaenamkaew P., Muensit S., Bdikin I.K., Kholkin A.L (2006), “Effect of Zr/Ti ratio on the microstructure and ferroelectric properties of lead zirconate titanate thin films”, Materials Chemistry and Physics, 102, pp 159-164 27 Lakin K.M., Kline G.R., McCarron K.T (1993), “High-Q microwave acoustic resonators and filters”, IEEE trans Microwave Theory Tech, 41(12), 2139 28 Larson J.M., Member, IEEE, and Snyder J.P (2006),“Overview and status of metal S/D schottky- barrier Mosfet technology”, IEEE Transactions on Electron Devices, 53(5), pp 1048-1058 29 Lee M.K., Eom C.B., Tian W., Pan X.Q., Smoak M.C., Tsui F., Krajewski J.J (2000), “Synthesis and properties of epitaxial thin films of c-axis oriented metastable four-layered hexagonal BaRuO3”, Appl Phys Lett, 77, p 364 30 Liu Q., Li S., and Meng Z.Y (1996), “Sol-gel processing SrTiO3 thin films for dynamic random access memory applications”, IEEE Transactions on Electron Devices, 58, pp 690-694 31 Loginow V.E, Hollmann E.K., Kozyrev A.B., and Prudan A.M (1997), “Preparation of SrTiO3 films on sapphire substrate by RF magnetron sputtering”, Vacuum, 51(2), pp 141-143 Trường ĐHKHTN 63 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang 32 Lu H., Liu X., Kim D.J., Stamm A., Burton J.D., Lukashev P., Bark C.W., Felker D.A., Folkman C.M., Pan X., Rzchowski M.S., Eom C.B., Tsymbal E.Y., Gruverman A (2012), “Enhancement of ferroelectric polarization stability by interface engineering”, Adv Mater, 24, 1209 33 D.H Minh, V.T.H Trang, B.N.Q Trinh (2014), “Hugo on-Current ferroelectric-gate thin film transistor with solution-processed indium tin oxide channel”, VNU Journal of mathematics- Physics, 30(1), pp 16-23 34 Miyake S., Baba S., Niino A., Numata K (2003), “Preparation of high quality strontium titanate based thin films by ECR plasma sputtering”, Surface and Coating Technology, 83, pp 27-31 35 Miyasako T., B.N.Q Trinh, Onoue M., Kaneda T., P.T Tue, Tokumitsu E., and Shimoda T (2011), “Ferroelectric-Gate Thin-Film Transistor Fabricated by Total Solution Deposition Process”, Japanese Journal of Applied Physics, 50, p 004DD09-1 36 Moro L., Benasciutti D (2010), “Harvested power and sensitivity anlalysis of vibrating shoe-mounted piezoelectric cantilevers”, Smart Mater Struct, 19, p 115011 37 Nagahara K., B.N.Q Trinh, Inoue S., Tokumitsu E., Shimoda T (2014), “Fabrication of 120-nm-channe-length ferroelectric-gate thin film trnasistor by nanoimprint lithography”, Jpn J Appl Phys, 53, p 02BC14 38 Noguchi T., Hase T., Miyasaga Y (1996), “Crystallization of SrBi2Ta2O9 thin film in N2 ambient by chemical solution deposition method”, Jpn J Appl Phys, 35, p 4900 39 Park B.H., Kang B.S., Bu S.D., Noh T.W., Lee J., and Jo W (1999), “Lathanum- substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories”, Nature, 41, pp 682-684 Trường ĐHKHTN 64 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang 40 Park K.II., Son J.H., Hwuang G.T., Jeong C.K., Ryu J., Koo M., Choi I., Lee S.H., Byun M., Wang Z.L., Lee K.J (2014), “Highly-efficient, flexible piezoelectric PZT thin film nanogenerator on plastic substrates”, Advanced Materials, 26(16), pp 2514-2520 41 Reiner J.W., Kolpak A.M., Segal Y., Garrity K.F., Ismail-Beigi S., Ahn C.H., Walker F.J (2010), “Crystalline oxides on silicon”, Adv Mater, 22, p 2919 42 Sibai A., Lhostis S., Rozier Y., Salicio O., Amtablian S., Dubois C., Legrand J., Senateur J.P., Audier M., Pfalzgraff H., Dobourdieu C., Ducroquet F.(2005), “Characterization of cry stalline MOCVD SrTiO3 films on SiO2/Si(100)”, Microelectronics Reliability, 45, pp 941-944 43 Silinskas M., Lisker M, Kalkofena B., Burte E.P (2006), “Investigation of strontium tantalate thin films for high-k gate dielectric applications”, Materrials Science in Semiconductor Processing, 9, pp 1102-1107 44 Singh S.K., Kim Y.K., Funakubo H., and Ishiwara H (2006), “Epitaxial BiFeO3 thin films fabricated by chemical solution deposition”, Applied Physics Letters, 88, p 162904-1 45 Talin A.A., Smith S.M., Voight S., Finder J (2014), “Epitaxial PbZr0.52Ti0.48O3 on SrTiO3/(001) Si substrates deposited by sol-gel method”, Appl Phys Lett, 81, p 1062 46 P.V Thanh, B.N.Q Trinh, Miasako T., P.T Tue, Tokumitsu E., Shimoda T (2012), “Electric properties and interface charge trap density of ferroelectric gate thin film transistor using (Bi,La)4Ti3O12/Pb(Zr,Ti)O3 stack gate insulator”, Jpn J Appl Phys, 51, p 09LA09 47 Tomar M.S., Melgarejo R.E., Hidalgo A., Mazumder S.B., Katiyar R.S (2003), “Structural and ferroelectric studies of Bi3.44La0.56Ti3O12 films”, Appl Phys Lett, 83, pp 341-343 Trường ĐHKHTN 65 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang 48 V.T.H Trang, T.V Dung, D.H Minh, N.Q Hoa, B.N.Q Trinh (2014), “Operation Stability of Ferroelectric-gate Thin-Film Transistor with LaTaO/PZT Stacked Structure”, International Symposium on NanoMaterials, Technology and Applications (NANOMATA 2014), October 1517, 2, Hanoi, Vietnam 49 Xu B., Ye Y., Cross, Eric L., Raanan M (1999), “Dieelectric hysteresis from transverse electric field in lead zirconate titanate thin film”, Applied Physics Letters, 74(23), p 3549 50 Xue L., Qing-feng G., HaiBo L., Yang L., and Guang-Tian Z (2012), “Preparation and characterization of dense lanthanum-doped bismuth titanate ceramics”, Sci China- Phys Mech Astron, 55, pp 33-39 51 Yang Zhang, Rui L., Chieh-jen k., Yicheng L (2013), “Vertically integrated ZnO-based 1D1R structure for resistive switching”, J Phys D: Appl Phys, 46(14), p 145101 52 Yoshida S., and Shimizu M (2007), “Fabrication of ferroelectric gate transistors with Sr(Ti,Ru)O3 as a channel”, Transaction of the Material Research Society of Japan, 32(1), pp 71-74 Trường ĐHKHTN 66 ĐHQGHN Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ D.H Minh, V.T.H Trang, B.N.Q Trinh (2014), “Huge on-Current FerroelectricGate Thin Film Transistor with Solution-Processed Indium Tin Oxide Channel”, VNU Journal of Mathematics – Physics, 30 (1) PP 16-23 V.T.H Trang, T.V Dung, D.H Minh, N.Q Hoa, B.N.Q Trinh, “Operation Stability of Ferroelectric-gate Thin-Film Transistor with LaTaO/PZT Stacked Structure”, International Symposium on Nano-Materials, Technology and Applications (NANOMATA 2014), October 15-17, 2014, Hanoi, Vietnam, PP 106-107 V.T Dung, V.T.H Trang, N.V Dũng, T.V Dũng, N.Q Hòa, Đ.H Minh, B.N.Q Trình, “Khảo sát chế tạo màng mỏng nano LaNiO3 Al thay đế Si tích hợp tụ điện sắt điện”, Hội nghị Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng toàn quốc lần 4, 13-16 tháng 10, 2015, Hà Nội, Việt Nam (P.52) Trường ĐHKHTN 67 ĐHQGHN ... liệu sắt điện có tính chất sắt điện tốt PZT 1.3 Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT đế đơn tinh thể đa tinh thể Đến năm 1980, phương pháp phát triển để chế tạo màng mỏng sắt điện Màng mỏng PZT chế tạo. .. màng mỏng PZT chế tạo đế đơn tinh thể Pt/STO(111) .52 Hình 3.17: Ảnh SEM màng mỏng PZT chế tạo đế đơn tinh thể Pt/STO(111) .53 Hình 3.18: Ảnh AFM màng mỏng PZT chế tạo. .. màng mỏng Pt đế đơn tinh thể STO(111) .51 3.3.3 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT đế Pt/STO(111) 52 3.3.4 Hình thái bề mặt màng mỏng PZT đế đơn tinh thể Pt/STO(111) .53 3.3.5 Tính chất điện tụ