Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

INVESTIGATION OF FERROELECTRIC DOMAIN STRUCTURE OF BIFEO3 FILM BY PIEZO-FORCE AND SCANNING ELECTRON MICROSCOPY

Ageev O.A. 1 Alyabyeva N.I. 1 Kolomiytsev A.S. 1 Tkachuk V.V. 1
1 SFU «Southern Federal University
В работе представлены результаты экспериментальных исследований ферроэлектрической доменной структуры BiFeO3 методами пьезо-силовой и растровой электронной микроскопии. Показаны возможности отображения вертикального и латерального пьезоотклика пленки BiFeO3 на счет «обратного» пьезоэффекта методом пьезосиловой микроскопии, а также отображения ферроэлектрической доменной структуры пленок BiFeO3 методом растровой электронной микроскопии с использованием системы TLD-BSC в качестве детектора отраженных электронов. Было установлено, что за счет упругого взаимодействия электронного пучка с поверхностью BiFeO3 формируется пироэлектрический потенциал, который отображает неоднородно направленные домены. Определено, что при 0° поворота образца относительно TLD детектора отображается вертикальная составляющая поляризации BiFeO3, при повороте образца на 15° относительно TLD детектора отображается латеральная составляющая поляризации BiFeO3. Полученные результаты пьезосиловой и растровой электронной микроскопии коррелируют между собой, а значит могут быть использованы как независимые для исследования пьезоэлектрических характеристик материалов.
This work presents the results of experimental studies of ferroelectric domain structure of BiFeO3 by piezo-force and scanning electron microscopy. We have shown the possibility of visualisation of the vertical and lateral piezoelectric response of BiFeO3 film as result of «reverse» piezo-effect by piezo-force microscopy, as well as visualisation of the ferroelectric domain structure of BiFeO3 films by scanning electron microscopy by TLD-BSC system as electron detector. It was found that due to the elastic interaction of the electron beam with the surface of BiFeO3, pyroelectric potential was formed and its make possibility to displays heterogeneously directed domains. Determined that at 0° tilt of the sample relatively to TLD detector the vertical component of the polarization of BiFeO3 can be detected, as well as when the sample tilt at 15° relatively to TLD detector the lateral component of the polarization of BiFeO3 can be detected. The results of piezo-force and scanning electron microscopy are correlated. Obtained results can be useful to study the characteristics of piezoelectric properties of different materials.
nanotechnology
nanodiagnostic
piezo-force microscopy
ferroelectric domain structure
BiFeO3
scanning electron microscopy
1. Ageev O.A., Suric J.C., Klimin В.С., Fedotov А.А. Preparation of nanocomposite of polymeric materials modified by carbon nanostructures based on nanofab NTC-9 // Izvestia Uzhnogo federalnogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2009, no. 1, pp. 135–142.
2. Konoplev B.G., Ageev О.А. Elion and probe nanotechnology for micro-and nanosystem technology // Izvestia Uzhnogo federalnogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2008. no. 12, pp. 165–175.
3. An Quan Jiang, Can Wang , Kui Juan Jin, et al. A resistive memory in semiconducting bifeo3 thin-film capacitors // Adv. Mater. 2011. no. 23. pp. 1277–1281.
4. Can Wang, Kui-juan Jin, Zhong-tang Xu, et al. Switchable diode effect and ferroelectric resistive switching in epitaxial BiFeO3 thin films // Applied Physics Letters 98. 2011. no. 192901. pp. 1–3.
5. Jesse S., Baddorf A.P., Kalinin S.V. Dynamic behaviour in piezoresponse force microscopy // Nanotechnology. 2006. no. 17. pp. 1615–1628.
6. Neaton J.B., Ederer C., Waghmare U.V., et al. First principles study of spontaneous polarization in multiferroic BiFeO3 // Phys. Rev. 2005. B 71, 014113. pp. 1–8.
7. Sergei V. Kalinin, Brian J. Rodriguez, Stephen Jesse, et al., Vector Piezoresponse Force Microscopy // Microsc. Microanal. 2006. no. 12. pp. 206–220.

Задача исследования пьезоэлектрических свойств ферроэлектрических пленок актуальна для применения на начальных этапах создания элементов памяти типа FeRAM и ReRAM [3, 4].

Одним из наиболее перспективных способов исследования ферроэлектрической доменной структуры (ФДС) является пьезо-силовая микроскопия (ПСМ), которая наряду с визуализацией распределения ФДС позволяет определять направление векторов поляризации и рассчитывать значения пьезоэлектрических коэффициентов [5, 7]. Принцип работы метода ПСМ основан на формировании локального электрического поля под острием кантилевера путем приложения к кантилеверу переменного напряжения (–1...1) В. В зависимости от режима работы ПСМ, за счет «обратного» пьезоэффекта, поверхность ферроэлектрического образца вертикально или латерально деформируется, что детектируется посредством анализа смещения пятна лазера ПСМ по DFL и LF осям фотодетектора соответственно. Значения деформации поверхности определяют пьезоэлектрические свойства материалов и отображаются в виде ПСМ сигналов пьзоамплитуды и фазы [5, 7]. Несмотря на достоинства практического применения данного метода, измерения осложняются необходимостью подбора оптимальных режимов сканирования и неоднозначной интерпретацией получаемых результатов [5–7]. ПСМ сигналы пьезоамплитуды зачастую содержат артефакты, обусловленные наличием дополнительных полей: локального электростатического и нелокального емкостного [1]. Таким образом, для достоверного определения распределения ФДС необходимо проводить дополнительные исследования.

Таким образом, целью данной работы являлись исследования ферроэлектрической доменной структуры пленки BiFeO3 методами пьезосиловой и растровой электронной микроскопии.

Материалы и методы исследований

Исследование ФДС пленки BiFeO3 методом ПСМ осуществлялось на зондовой нанолаборатории (СЗМ) Ntegra (НТ-МДТ, Россия). В качестве зондового датчика использовался кантилевер марки NSG11 с проводящим Pt покрытием. Вертикальный и латеральный пьезоотклик BiFeO3 детектировался ПСМ сигналом пьезоамплитуды, который отображал не только доменные стенки, но и направление векторов поляризации относительно середины пьезоамплитудной шкалы. Для такого режима работы СЗМ подбиралась частота модуляции кантилевера относительно пьезорезонансной частоты. В данном случае частота модуляции кантилевера составила 100 кГц при пьезорезонансной частоте колебания системы кантилевер-образец 2,5 кГц.

Для исследования ФДС методом ПСМ на поверхности BiFeO3 был выбран участок размером 9×9 мкм и сформирована маркерная область размером 5×5 мкм, облегчающая поиск выбранного участка при РЭМ исследовании. Маркерная область состоит из ФДС с переориентированными векторами поляризации, путем сканирования методом ПСМ области размером 5×5 мкм с одновременной подачей постоянного напряжения –8 В к проводящему кантилеверу.

Исследование ФДС BiFeO3 методом РЭМ осуществлялось на растровом электронном микроскопе Nova NanoLab 600 (FEI, Нидерланды). Для визуализации ФДС параметры электронного пучка составили 5 кВ, 0,40 нА. В качестве детектора использовался Through Lens Detector (TLD), изображение формировалось при помощи системы Backscatter Electron Imaging (BSC). Такой способ позволяет получать контраст изображения путем регистрации упругого взаимодействия между электронным пучком и образцом [2]. По сравнению с системой получения изображения вторичными электронами данная система позволяет отображать упругие свойства материалов, с слабой чувствительностью к морфологии поверхности исследуемого образца.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1, а представлено ПСМ изображение вертикального пьезоотклика BiFeO3, полученное в направлении сканирования [100] выбранного участка с маркерной областью. Видно, что домены точек 1 и 2, 3 находятся выше середины пьезоамплитудной шкалы, что соответствует направлению векторов поляризации вверх P+, тогда как пьезоамплитуда в точке 4 соответствует направлению вектора поляризации вниз P– [7].

На рис. 1, б представлено ПСМ изображение латерального пьезоотклика BiFeO3, полученное в направлении сканирования ageev01.wmf.

а pic_1.tif бpic_2.tif

Рис. 1. ПСМ изображение ФДС BiFeO3: а – вертикальный пьезоотклик; б – латеральный пьезоотклик

Анализ ПСМ изображения показал, что пьезоамплитуда доменов точек 1 и 4 лежит на середине амплитудной шкалы, что отображает отсутствие латерального смещения поверхности пленки BiFeO3 при продольном расположении доменов (рис. 2). Значение пьезоамплитуды доменов точки 2 отражает латеральный пьезоотклик пленки BiFeO3, направленный влево, соответственно пьезоамплитуда доменов точки 3 отражает латеральный пьезоотклик, направленный вправо (рис. 2).

Таким образом, анализ ПСМ изображений позволил схематически отобразить трехмерную ориентацию векторов поляризации ФДС пленки BiFeO3 (рис. 2).

На рис. 3, представлены РЭМ-изображения выбранного ранее участка с маркером, полученные при разном угле наклона подложки BiFeO3 относительно TLD детектора. Видно, что оба РЭМ изображения имеют доменный контраст, который обусловлен проявлением упругих свойств BiFeO3 в результате упругого взаимодействия электронного пучка с его поверхностью, приводящего к локальному нагреву BiFeO3, и, как следствие, возникновению пироэлектрического потенциала, который отображает неоднородно направленные домены.

а pic_5.tif бpic_3.tif

Рис. 2. Схематическое изображение распределения ФДС BiFeO3 и векторов поляризации доменов типа 1, 2, 3 и 4: а – 3 D; б – 2 D, вид сверху

а pic_6.tifб pic_4.tif

Рис. 3. РЭМ изображения, полученные TLD-BSC детектором, с разным углом наклона подложки: а – 0°; б – 15°

При этом изменение угола наклона подложки BiFeO3 относительно TLD детектора приводит к различному отображению доменного контраста, возбуждая проявление вертикального пьезоэффекта при 0°, (рис. 3, а) и латеральный пьезоэффект при 15° (рис. 3, б).

Полученные РЭМ-изображения распределения ФДС пленки BiFeO3, отражающие, при разном угле наклона подложки BiFeO3 относительно TLD детектора, вертикальный и латеральный пьезоэффект, коррелируют с распределением ФДС пленки BiFeO3, полученным методом ПСМ (рис. 1).

Таким образом, РЭМ может использоваться в качестве независимого метода визуализации доменной структуры ферроэлектрических материалов.

Заключение

Результаты исследования ФДС пленки BiFeO3 позволили продемонстрировать возможности метода ПСМ и отображение вертикальной и латеральной деформации поверхности за счет «обратного» пьезоэффекта, что при комплексном анализе позволяет определять трехмерную ориентацию векторов поляризации. Кроме того, были продемонстрированы возможности растровой электронной микроскопии в отображении распределения ФДС пленки BiFeO3 за счет упругого взаимодействия электронного пучка с поверхностью ферроэлектрика и проявлении его упругих свойств. При этом параметры электронного пучка составили 5 кВ, 0,40 нА, в качестве системы визуализации был выбран детектор TLD в сочетании с BSC. Показано, что исследование ФДС BiFeO3 при угле – 0° наклона подложки относительно TLD позволяет отражать вертикальный пьезоотклик BiFeO3, при наклоне подложки 15° – латеральный пьезоотклик. Полученные результаты исследования ФДС BiFeO3 методами ПСМ и РЭМ коррелируют между собой.

Таким образом, метод РЭМ может применяться для визуализации ФДС в качестве независимого.

Благодарность. Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования и Научно-образовательного центра «Нанотехнологии», Института Нанотехнологий, Электроники и Приборостроения, Южного Федерального Университета (г. Таганрог).

Рецензенты:

Рындин Е.А., д.т.н., профессор кафедры конструирования электронных средств, ЮФУ, г. Таганрог;

Червяков Г.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой радиотехнической электроники, ЮФУ, г. Таганрог.

Работа поступила в редакцию 06.03.2014.