Tích hợp tụ điện sắt điện màng mỏng pbzr0,4ti0,6o3 chế tạo bằng phương pháp dung dịch trên đế đơn tinh thể

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- VŨ THỊ HUYỀN TRANG TÍCH HỢP TỤ ĐIỆN SẮT ĐIỆN MÀNG MỎNG PbZr0.4Ti0.6O3 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP DUNG DỊCH TRÊN ĐẾ ĐƠN TIN

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ HUYỀN TRANG

TÍCH HỢP TỤ ĐIỆN SẮT ĐIỆN MÀNG MỎNG PbZr0.4Ti0.6O3

CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP DUNG DỊCH

TRÊN ĐẾ ĐƠN TINH THỂ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số : 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI NGUYÊN QUỐC TRÌNH

Hà Nội - 2015

Trang 2

sự hướng dẫn khoa học của TS Bùi Nguyên Quốc Trình Các kết quả trình bày trong Luận văn là trung thực chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan trên

Học viên

Vũ Thị Huyền Trang

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4 TÓM TẮT Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined

1.1 Ứng dụng của tụ điện sắt điện trong công nghiệp điện tử Error! Bookmark not

defined

1.1.1 Ứng dụng trong sensor Error! Bookmark not defined 1.1.2 Trong bộ nhớ FeRAM Error! Bookmark not defined 1.2 Vật liệu điển hình sử dụng trong tụ điện sắt điện Error! Bookmark not

defined

1.2.1 Vật liệu cấu trúc peroskite kẹp lớp Bi Error! Bookmark not defined

1.2.2 Họ vật liệu perovskite Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) Error! Bookmark not defined 1.3 Công nghệ chế tạo màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể và đa tinh thể Error!

Bookmark not defined

1.3.1 Phương pháp lắng đọng laser xung (PLD) và phún xạ RF Error! Bookmark

not defined

1.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học Error! Bookmark not defined 1.3.3 Phương pháp Sol- gel Error! Bookmark not defined 1.4 Mục tiêu nghiên cứu luận văn thạc sĩ Error! Bookmark not defined

2.1 Phương pháp chế tạo điện cực dưới TiO2/Pt Error! Bookmark not defined

2.1.1 Chế tạo lớp TiO2 Error! Bookmark not defined 2.1.2 Chế tạo lớp Pt Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp chế tạo màng mỏng PZT Error! Bookmark not defined

Trang 4

2.2.2 Dung dịch tiền tố trong quá trình quay phủ Error! Bookmark not defined 2.2.3 Quy trình chế tạo màng mỏng PZT Error! Bookmark not defined 2.3 Chế tạo tụ điện sắt điện Error! Bookmark not defined 2.3.1 Hệ phún xạ điện cực trên Pt Error! Bookmark not defined 2.3.2 Cấu trúc tụ điện sắt điện Error! Bookmark not defined 2.4 Thiết bị khảo sát và đánh giá tụ điện sắt điện Error! Bookmark not defined 2.4.1 Thiết bị nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.4.3 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Error! Bookmark not defined 2.4.4 Thiết bị đo điện trễ và dòng rò Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined

3.1 Chế tạo màng mỏng Pt trên đế TiO2/SiO2/Si Error! Bookmark not defined 3.1.1 Khảo sát cấu trúc tinh thể Error! Bookmark not defined 3.1.2 Khảo sát hình thái bề mặt Error! Bookmark not defined

3.2 Khảo sát tính chất tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Error! Bookmark

not defined

3.2.1 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si Error! Bookmark

not defined

3.2.2 Hình thái bề mặt màng mỏng PZT trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si Error! Bookmark

not defined

3.2.3 Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si Error! Bookmark

not defined

3.3 Khảo sát tính chất của tụ điện Pt/PZT/Pt trên đơn tinh thể STO(111) Error!

3.3.1 Cấu trúc tinh thể đế Pt/STO(111) Error! Bookmark not defined 3.3.2 Hình thái bề mặt của màng mỏng Pt trên đế đơn tinh thể STO(111) Error!

Trang 5

3.3.3 Cấu trúc tinh thể màng mỏng PZT trên đế Pt/STO(111) Error! Bookmark

not defined

3.3.4 Hình thái bề mặt của màng mỏng PZT trên đế đơn tinh thể Pt/STO(111)

Error! Bookmark not defined

3.3.5 Tính chất điện của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) Error! Bookmark

not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 67

Trang 6

Trường ĐHKHTN 1 ĐHQGHN ĐH

LỜI CẢM ƠN

Em xin được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc nhất tới

TS Bùi Nguyên Quốc Trình Trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN, và tập thể

giảng viên những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, truyền cảm hứng và

giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình em thực hiện 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 sự và CN

Trần Văn Dũng như những người anh trai đã luôn chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá

trình thực nghiệm, đo đạc, và xử lý số liệu

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các anh kỹ thuật viên và các em sinh

viên nghiên cứu khoa học nhóm nghiên cứu của TS Bùi Nguyên Quốc Trình tại

trường Đại học Công Nghệ- ĐHQGHN đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi để

em có thể hoàn thành tốt quá trình làm thực nghiệm tại Khoa Vật lý - ĐHKHTN và

Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nanô - ĐHCN

Lời sau cùng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, các anh chị

đồng nghiệp, gia đình và bạn bè luôn ở bên cạnh ủng hộ, động viên em trong suốt

quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghiên cứu này được tài trợ từ đề tài mã số QG.14.08, Đại học Quốc gia Hà

Nội, và đề tài mã số 103.02-2012.81, Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia

Hà nội, ngày…… tháng…… năm 2015

Học viên: Vũ Thị Huyền Trang

Trang 7

Luận văn Thạc sĩ Vũ Thị Huyền Trang

BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết

AFM Atomic Force Microscope Kính hiển vi lực nguyên tử

BLT Bismuth Titanate Lanthanum Bi4-xLaxTi3O12

CMOS Complementary Metal-Oxide

Semiconductor

Bán dẫn ô-xit kim loại bù

DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động

EEPROM Electrically Erasable Programmable

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc được lập trình có thể xóa được bằng điện

FeRAM Ferroelectric Random Access

Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện

MEMS Microelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện micro

MOCVD Metal Organic Chemical vapor

Deposition

Lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng tiền chất kim loại- hữu cơ NEMS Nanoelectromechanical systems Hệ cảm biến vi cơ điện nano

NVRAM Non-Volatile Random-Access

Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không bay hơi

PECVD Chemical Vapor Deposition Using

Plasma Enhanced

Lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng plasma tăng cường PLD Pulsed Laser Deposition 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

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1: Thông số chế tạo điện cực thuần bằng phương pháp phún xạ……….32

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể wurtzite của AlN được thể hiện với nguyên tử Al

màu xám, và N màu lam Các tâm tứ diện Al được xếp theo cùng 1 định hướng

với nhau (song song với trục c) và 3 nguyên tử liền kề sắp xếp theo khối kim tự

tháp 4

Hình 1.2: Sự biến dạng sắt điện điển hình của cấu trúc perovskite ABO3, ion A

(đỏ) ở góc của tinh thể, io B (lam) nằm ở gần tâm của tinh thể, và ion O (trắng)

nằm gần tâm các mặt của tinh thể Theo sự phát triển của phân cực tự phát, sự

biến dạng tự phát cũng được phát triển theo 6

Hình 1.3: Sự phân tích về các biến dạng cơ khác nhau ở vật liệu áp điện Error!

Hình 1.4: Các cảm biến thông dụng và mô hình dẫn động trong hệ vi cơ điện tử

áp điện a) Mô hình uốn cong do e31,f (đôi khi gọi là d31) cho màng điện cực đáy

và đỉnh Sự không đồng nhất trong cấu trúc tinh thể uốn cong khi màng áp điện

thu hẹp đóng vai trò như lớp đàn hồi thụ động b) Sự uốn cong vuông góc do sự

mở rộng của cấu trúc dẫn động d33 sử dụng điện cực răng lược Để xác định điện

trường tác động vào thiết bị, lớp áp điện bên dưới nên là điện môi Lớp rào như

là ZrO2 oặc HFO2 thường được yêu cầu để cải thiện sự phản ứng giữa lead-base

perovskite và Si hoặc lớp đàn hồi SiO2 c) Chuyển động pitton do hệ số d33 vuông

góc Chú ý: PZT là Pb(Zr,Ti)O3, E là điện trường, Pr là độ phân cực tự phát

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của bộ nhớ FeRAM.Error! Bookmark not

defined

Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể của Bi4-xLaxTi3O12 Error! Bookmark not defined

Hình 1.7: Đường cong phân tích nhiệt vi sai của Bi3.25La0.75Ti3O12 Error!

Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể của Sr(BixTa1-x)2O9 Error! Bookmark not defined

Hình 1.9: Giản đồ pha gốm Pb(ZrxTi1-x)O3 Error! Bookmark not defined

Trang 10

Hình 1.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ Zr/Ti lên hằng số điện môi và hệ số áp điện của

Pb(ZrxTi1-x)O3 Error! Bookmark not defined

Hình 1.11: Sự phụ thuộc độ phân cực của tinh thể sắt điện vào nhiệt độ Error!

Hình 1.12: Đường cong điện trễ của vật liệu sắt điện.Error! Bookmark not

defined

Hình 1.13: Sơ đồ bốc bay bằng laser xung Error! Bookmark not defined

Hình 1.14: Nguyên lý phún xạ Error! Bookmark not defined

Hình 1.15: Các sản phẩm của kỹ thuật sol-gel Error! Bookmark not defined

Hình 1.16: Quá trình quay phủ Error! Bookmark not defined

Hình 2.1: Máy phún xạ cao tần BOC EDWARDS (ảnh tại Phòng thí nghiệm

Micro-nano, ĐHCN, ĐHQGHN) Error! Bookmark not defined

Hình 2.2: Hệ phún xạ cao áp một chiều tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

ĐHQGHN Error! Bookmark not defined

Hình 2.3: Đế đơn tinh thể STO Error! Bookmark not defined

Hình 2.4: Đế STO sau khi được chế tạo lớp Pt Error! Bookmark not defined

Hình 2.5: Quá trình quay phủ (spin-coating) Error! Bookmark not defined

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) và đế Pt/STO (b) sau khi được chế tạo

màng mỏng PZT 29

Hình 2.8:Quy trình sol-gel trong phòng sạch: (a) quay-phủ mẫu, (b) sấy mẫu, (c)

lò ủ nhiệt chậm 30

Hình 2.9: Phún xạ cao áp một chiều 31

Hình 2.10: Cấu trúc tụ điện sắt điện (a) Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si và (b)

Pt/PZT/Pt/STO Error! Bookmark not defined

Hình 2.11: Mặt nạ sử dụng trong chế tạo điện cực.Error! Bookmark not

defined

Hình 2.12: Sơ đồ tán xạ của chùm tia X trên các mặt phẳng tinh thể Error!

Trang 11

Hình 2.13: Thiết bị nhiễu xạ tia X: X Ray Diffraction D5005, HUS-VNU Error!

Hình 2.14: Hình ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM.Error! Bookmark not

defined

Hình 2.15: (a) Hình ảnh chụp khi đo phổ lực AFM, (b) Sự biến đổi của lực tương

tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách.Error! Bookmark not

defined

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý phép đo điện trễ theo mạch Sawyer – Tower Error!

Hình 2.17: Đặc trưng dòng rò của một vật liệu điện môi 37

Hình 2.18: Thiết bị đo đường cong điện trễ và dòng rò Radiant Precision LC 10.

38

Hình 3.1: Ảnh hưởng của công suất lên cấu trúc màng mỏng Pt chế tạo trên đế

TiO2/SiO2/Si 40

Hình 3.2: So sánh chất lượng màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế

thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c) sử dụng hệ Jeol

JFC-1200 41

Hình 3.3: So sánh hình thái bề mặt từ ảnh AFM của màng mỏng Pt chế tạo trên

đế TiO2/SiO2/Si: (a) đế thương mại, (b) sử dụng hệ phún xạ BOC Edwards, và (c)

sử dụng hệ Jeol JFC-1200 Error! Bookmark not defined

Hình 3.4: Ảnh SEM cắt dọc của màng mỏng Pt chế tạo trên đế TiO2/SiO2/Si sử

dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 Error! Bookmark not defined

Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT ủ tại 600oC trên đế Pt thương

mại Error! Bookmark not defined

Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT kết tinh tại 600oC trên đế Pt

sử dụng hệ phún xạ trên sử dụng hệ Jeol JFC-1200.Error! Bookmark not

defined

Trang 12

Hình 3.7: Ảnh SEM màng mỏng PZT (ủ 600oC) trên 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

Hình 3.8: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si.Error! Bookmark

not defined

Hình 3.9: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

trước khi ủ điện cực Pt trên 47

Hình 3.10: Đặc trưng dòng rò phụ thuộc thời gian (I-t) của tụ điện sắt điện

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si trước khi ủ điện cực Pt trên 47

Hình 3.11: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si

sau khi ủ điện cực Pt trên 48

Pt/PZT/Pt/TiO2/SiO2/Si sau khi ủ điện cực Pt trên 49

Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể

STO(111) 50

Hình 3.14: Ảnh SEM của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể STO(111),

sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 Error! Bookmark not defined

Hình 3.15: Ảnh AFM đế của màng mỏng Pt chế tạo trên đế đơn tinh thể

STO(111), sử dụng hệ phún xạ Jeol JFC-1200 Error! Bookmark not defined

Hình 3.16: Phổ nhiễu xạ tia X của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Pt/STO(111) Error! Bookmark not defined

Hình 3.17: Ảnh SEM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Hình 3.18: Ảnh AFM của màng mỏng PZT chế tạo trên đế đơn tinh thể

Hình 3.19: Cấu trúc tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111).Error! Bookmark not

defined

Hình 3.20: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111)

trước khi ủ điện cực Pt trên Error! Bookmark not defined

Trang 13

Hình 3.21: Đặc trưng điện trễ (P-E) của tụ điện sắt điện Pt/PZT/Pt/STO(111) sau

khi ủ điện cực Pt trên Error! Bookmark not defined

Pt/PZT/Pt/STO(111) trước khi ủ điện cực Pt trên 56

Pt/PZT/Pt/STO(111) sau khi ủ điện cực Pt trên 57

Trang 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 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 trên lá

Al thay thế đế Si trong tích hợp tụ điện sắt điện”, Hội nghị Vật lý Kỹ thuật

và Ứng dụng toàn quốc lần 4, 13-16 tháng 10, Hà Nội, Việt Nam

2 Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý và kỹ thuật màng mỏng, Nhà xuất bản Đại

học Quốc gia Hà Nội, tr 57-63

3 Nguyễn Huy Tiệp (2013), Nghiên cứu tính chất của màng mỏng PZT cấu trúc

nano chế tạo bằng phương pháp dung dịch định hướng ứng dụng cho bộ

nhớ sắt điện, Luận văn thạc sĩ Vật liệu và Linh kiện nano, Đại học Công

nghệ - ĐHQGHN

Tiếng Anh

4 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

5 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

6 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

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	423,43 KB