article
JournaloftheKoreanPhysicalSociety,Vol.57,No.6,December2010,pp.1875?1878
E?ectsofBiContentontheFerroelectricPropertiesofBiFeO3ThinFilms
DalhyunDo,JinWonKim,SangSuKim?andWon-JeongKim
DepartmentofPhysics,ChangwonNationalUniversity,Changwon641-773
MyangHwanLeeandTaeKwonSong
SchoolofNanoandAdvancedMaterialEngineering,ChangwonNationalUniversity,Changwon641-773(Received12January2010,in?nalform25April2010)
TwopolycrystallineBiFeO3thin?lmsweredepositedonPt(111)/Ti/SiO2/Si(100)substratesbyusingpulsedlaserdepositionfromnominalcompositionBi1.0FeO3andBi1.1FeO3targets.X-raydi?ractionresultscon?rmedthatdi?erentimpurityphaseswereformedintheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.ThepreferredorientationoftheBi1.0FeO3thin?lmsisthe<110>directionwhilethatoftheBi1.1FeO3thin?lmsisthe<100>direction.Thevaluesoftheremnantpolarization(2Pr)oftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3?lmcapacitorswere49µC/cm2atanappliedelectric?eldof500kV/cmand40µC/cm2at467kV/cm.Asimilarleakagecurrentpropertywasobservedinboth?lms.
PACSnumbers:77.80.-e,77.80.Fm
Keywords:MultiferroicBiFeO3thin?lm,Ferroelectrichysteresisloop,PulsedlaserdepositionDOI:10.3938/jkps.57.1875
I.INTRODUCTION
Bismuthferrite(BiFeO3(BFO))isoneofthemultifer-roicmaterials,inwhichelectric,magnetic,andstructuralorderparametersarecoupledtoeachother,resultinginsimultaneousferroicpropertiessuchasferroelectric,ferromagnetic,andferroelasticproperties[1,2].Unlikemostothermultiferroics,BFOexhibitsmultiferroicprop-ertiesatroomtemperatureduetoferroelectricitywithaCurietemperatureof820?CandantiferromagnetismwithaN´eeltemperatureof380?C,whichgivesgreatpotentialforindustrialapplications[3].Inaddition,a?rst-principlesstudypredictedalargeferroelectricpo-larization,90?100µC/cm2,alongthe[111]directionofthepseudo-cubicperovskiteunitcell[4].BFOthin?lmsgrownonSrTiO3(STO)singlecrystalsexhibitedthevalueofpolarizationpredictedbyRef.4.Therem-nantpolarizationPrwas100µC/cm2for(111)BFOthin?lmsdepositedonSTObyusingpulsedlaserdeposition(PLD)[5,6].AsimilarresultwasobtainedinBFOthin?lmsgrownonSTObysputtering[7].
DespitethefactthatalargeremnantpolarizationwasobservedinepitaxialBFOthin?lmsdepositedonSTOsubstrates,experimentalresultsoftenshowedasmallremnantpolarizationinbulkBFOandinBFOthin?lmsgrownonaPt-coatedSiwafers.BFOsinglecrystalsex-hibitedaspontaneouspolarizationof3.5µC/cm2along
?E-mail:
the<100>direction,correspondingto6.1µC/cm2alongthe<111>direction[8].Highly(100)-orientedBFOthin?lmsdepositedonPt/Ti/SiO2/Sisubstratesbyrfmag-netronsputteringshowedaremnantpolarizationof5.2µC/cm2atanelectric?eldof360kV/cm[9].ThemostconsiderableproblemisthelowelectricalresistivityasaresultofdefectsandnonstoichiometryduetothehighvolatilityofBi.ImprovedferroelectricpropertieswereobtainedbysubstitutingasmallnumberofdonorsinBFO,whichhelpedtoincreasetheresistivitybyreduc-ingtheconcentrationofoxygenvacancies[10].There-fore,controloftheBicontentisoneoftheimportantissuestomakephase-pureBiFeO3.Inthisstudy,theef-fectsoftheinitialBicontentonthecrystalstructureandtheferroelectricpropertiesofBFOthin?lmsdepositedbyusingPLDwereinvestigated.
II.EXPERIMENTALDETAILS
BFOthin?lmsweredepositedonPt(111)/Ti/SiO2/Si(100)substratesbyusingapulsedlaserdepositionmethod.TwoPLDtargetscontainingdi?erentBicon-tentswerepreparedbyusingatypicalsolid-stateprocesswithrawpowdersofBi2O3(Aldrich,99%)andFe2O3(Aldrich,99%).ThenominalcompositionsofthePLDtargetswereBi1.0FeO3andBi1.1FeO3,respectively.AKrFexcimerlaserwithawavelengthof248nmwasusedtoablatethetargetatarepetitionrateof5Hz.The
sskim@changwon.ac.kr
-1875-
-1876-JournaloftheKoreanPhysicalSociety,Vol.57,No.6,December
内容需要下载文档才能查看2010
Fig.1.XRDpatternsoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.Symbolsindicatethesubstrate()andtheim-purityphasessuchasFe-richphases(??)and?
Bi-richphases(??).
laser’senergydensitywasabout1.1J/cm2perpulse.DuringthedepositionoftheBFOthin?lms,thesub-stratetemperaturewaskeptat550?Cunderanoxy-genpartialpressureof30mTorr.Afterdeposition,the?lmswerecooledtoroomtemperatureunderanoxygenpartialpressureof760Torr.Pttopelectrodeswerede-positedbyionsputteringthroughashadowmask,200µmindiameter.
ThecrystalstructureandthemicrostructureoftheBFOthin?lmswerecon?rmedbyusingX-raydi?rac-tion(XRD,Rigaku,MiniFlexII)andscanningelectronmicroscopy(SEM,Tescan,MIRAIILMH).Ferroelec-trichysteresisloopsandleakagecurrentweremeasuredbyusingaferroelectrictester(RadiantTech.Inc.,Pre-cisionLC)andanelectrometer(Keithley,6517A).
III.RESULTSANDDISCUSSION
Figure1showstheXRDpatternsoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.Forthemeasurements,X-rayswithCuKαradiationfromadi?ractometerop-eratedat30kVand15mAwereused.AscanbeseeninFig.1,inboththin?lms,polycrystallineBFOisamajorphase,alongwithotherimpurityphases.InBi-basedoxideferroelectricmaterials,thevolatilityofBiresultsinnon-stoichiometricstructuraldefects.Thus,theimpurityphasesmarkedby“??”mayberelatedtoFe-richphasessuchasFe2O3and/orBi2Fe4O9[11].Ontheotherhand,theimpurityphasesmarkedby“??”,appearinginBi1.1FeO3?lms,mayberelatedtoBi-richphasessuchasBi2O3[11].
Thevolumefractionsof(100),(110),and(111)-orientedgrains,whicharethemajorre?ectionpeaksinbothBFOthin?lms,werecalculatedfromV/I(hkl)=I(hkl)total,whereI(hkl)isthepeakintensityofthe(hkl
内容需要下载文档才能查看)
Fig.2.SEMimagesofthesurfacemorphologiesof(a)theBi1.0FeO3and(b)theBi1.1FeO3thin?lms.
re?ectionandItotalisthesumofallIisdirectly(hklrelated)used[12].Thecrystallographicorientationtothepolarizationvectorinmostferroelectricmaterialsandprovidesusefulinformationtoestimatethevalueofpo-larization.Thevolumefractionsof(100)-,(110)-,and(111)-orientedgrainsintheBi1.0FeO3thin?lmswerelessthan1%,77%,and22%,respectively,andthoseintheBi1.1FeO3?lmswere73%,13%,and14%,respectively.TheresultindicatesthatthepreferredorientationoftheBi1.0FeO3?lmsisthe<110>directionwhilethatoftheBi1.1FeO3?lmsisthe<100>direction.
Figures2(a)and2(b)showSEMimagesofthesurfacemorphologiesoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.Theimagesshowedthatgrainsof100?150nminaveragesizearehomogeneouslydistributedacrossthesurfacesofboththin?lms.Thevaluesofthe?lmthick-nessmeasuredfromthecross-sectionalSEMimageswere400nmand300nmfortheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms,respectively.
Ferroelectrichysteresisloopsweremeasuredbyapply-ingafrequencyof1.25kHzwithtriangularvoltagepulse.TheloopsoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3?lmca-pacitorsweretakenat20V(500kV/cm)and14V(467kV/cm),respectively.Boththin?lmsshowedasymmet-
E?ectsofBiContentontheFerroelectricPropertiesofBiFeO3ThinFilms–DalhyunDoetal.
内容需要下载文档才能查看-1877-
Fig.3.FerroelectrichysteresisloopsoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.richysteresisloops,indicatingthateasypolarizationdo-mainswitchingoccurredwhenapositiveelectric?eldwasappliedwhilepolarizationswitchingwasdi?cultun-deranegativeelectric?eld.Thise?ectmaybeexplainedbystressinducedbythe?lm/electrodeinterfaceduetoclampingorlatticemismatchand/ordomainpinningin-ducedbyoxygenvacancies[13].OurBFOthin?lmsweredepositedonepitaxialPtbottomelectrodes,whichmighthavegivenaclampinge?ectonthe?lmswhiletheinterfacebetweenthePttopelectrodesandthe?lmlayerwasfreefromaclampinge?ect.Also,thevolatilityofBiionsresultsintheformationofoxygenvacancies.Theremnantpolarization(2Pr)andthecoerciveelec-tric?eld(2Ec)wereestimatedfromthehysteresisloops.Thevaluesof2Prand2EcoftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3?lmcapacitorswere49µC/cm2and526kV/cmatanappliedelectric?eldof500kV/cm,respec-tively,and40µC/cm2and582kV/cmatanappliedelectric?eldof467kV/cm,respectively.Thedevicesbrokedownforappliedelectric?eldsabove500kV/cmduetothepossiblyhighleakagecurrent.Thus,itwasimpossibletoobtainthevaluesof2Prand2Ecfromthesaturationhysteresisloop.
Theremnantpolarizationestimatedfromtheloopsissomewhatanaveragevaluefromseveralcrystallographicorientations.ThismakesdirectcomparisonofremnantpolarizationswithP√each√otherdi?cult.Itwasassumedthat√
r(111)=(3/2)Pr(110)=(3)Pr(100)inBFObecausethespontaneouspolarizationvectorliesalongthe<111>directionsintherhombohedralBFOphase[5].FromthevolumefractionofgrainswitheachorientationcalculatedfromtheXRDpatternsandthe2Probtainedfromthehysteresisloops,thevaluesof2Pr(111)oftheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lmscouldbecloseto57µC/cm2and60µC/cm2,respec-tively.Thissimplyimpliesthatboththin?lmshavesimilarferroelectricpropertiesintermsofpolarization,regardlessoftheformationofdi?erentimpurityphases,asshowninFig.1.However,identifyingthe
内容需要下载文档才能查看impurity
Fig.4.Leakagecurrentdensityasafunctionofanappliedelectric?eldfortheBi1.0FeO3andtheBi1.1FeO3thin?lms.
phasesisnecessary.
Theleakagecurrentwasmeasuredatroomtempera-tureunderadcappliedelectric?eld.Figure4showstheleakagecurrentdensityasafunctionoftheappliedelec-tric?eldforBi1.0FeO3andBi1.1FeO3?lms.Overall,theBi1.0FeO3?lmcapacitorshowedaslightlylowerleakagecurrentdensitythantheBi1.1FeO3?lmcapacitor.How-ever,theleakagecurrentdensityistoohightoachievetheremnantpolarizationpredictedbythe?rst-principlesstudyandobservedinepitaxialBFOthin?lmsgrownonSTOsubstrates.
IV.CONCLUSION
TheBFOthin?lmswerepreparedfromBFOtargetswithnominalcompositionsofBi1.0FeO3andBi1.1FeO3byusingPLD.DuetothevolatilityofBiions,impurityphaseswereformedinadditiontomajorBiFeO3phase.TheimpurityphasesoftheBi1.0FeO3thin?lmmayberelatedtoFe-richphaseswhilethoseoftheBi1.1FeO3thin?lmmayberelatedtoBi-richphases.BothBFOthin?lmsshowedalmostsimilarferroelectricandleakagecurrentproperties,regardlessoftheformationofthedif-ferentimpurityphases.Ontheotherhand,comparedtotheepitaxialBFOthin?lmsgrownonSTOsubstrates,arelativelysmallremnantpolarizationwasobserved.Theoriginmayberelatedtothehighleakagecurrent.
ACKNOWLEDGMENTS
ThisworkwassupportedbythePriorityResearchCentersProgramthroughtheNationalResearchFoun-dationofKorea(NRF)fundedbytheMinistryofEdu-cation,ScienceandTechnology(2009-0094064).
-1878-JournaloftheKoreanPhysicalSociety,Vol.57,No.6,December2010
REFERENCES
[1]N.A.SpaldinandM.Fiebig,Science309,391(2005).[2]G.CatalanandJ.F.Scott,Adv.Mater.21,2463(2009).[3]R.RameshandN.A.Spaldin,Nat.Mater.6,21(2007).[4]
J.B.Neaqton,C.Ederer,U.V.Waghmare,N.A.SpaldinandK.M.Rabe,Phys.Rev.B71,014113(2005).
[5]F.Bai,J.Wang,M.Wuttig,J.F.Li,N.Wang,A.P.
Pyatakov,A.K.Zvezdin,L.E.CrossandD.Viehland,Appl.Phys.Lett.86,032511(2005).
[6]J.Li,J.Wang,M.Wuttig,R.Ramesh,N.Wang,B.
Ruette,A.P.Pyatakov,A.K.ZvezdinandD.Viehland,Appl.Phys.Lett.84,5261(2004).
[7]R.R.Das,D.M.Kim,S.H.Baek,C.B.Eom,F.
Zavaliche,S.Y.Yang,R.Ramesh,Y.B.Chen,X.Q.
Pan,X.Ke,M.S.RzchowskiandS.K.Strei?er,Appl.Phys.Lett.88,242904(2006).
[8]J.R.Teague,R.GersonandW.J.James,SolidStateCommun.8,1073(1970).
[9]J.O.Cha,J.S.AhnandK.B.Lee,J.KoreanPhys.Soc.54,844(2009).
[10]J.K.Kim,S.S.Kim,E.J.Choi,W.J.Kim,A.S.BhallaandT.K.Song,J.KoreanPhys.Soc.49,S566(2006).[11]R.Palai,R.S.Katiyar,H.Schmid,P.Tissot,S.J.Clark,J.Robertson,S.A.T.Redfern,G.CatalanandJ.F.Scott,Phys.Rev.B77,014110(2008).
[12]K.Saito,I.Yamaji,T.Akai,M.MitsuyaandH.Fu-nakubo,Jpn.J.Appl.Phys.42,539(2003).
[13]
Y.Zhou,H.K.Chan,http://wendang.chazidian.commandF.G.Shin,J.Appl.Phys.98,024111(2005).
下载文档
热门试卷
- 2016年四川省内江市中考化学试卷
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 山东省滨州市三校2017届第一学期阶段测试初三英语试题
- 四川省成都七中2017届高三一诊模拟考试文科综合试卷
- 2017届普通高等学校招生全国统一考试模拟试题(附答案)
- 重庆市永川中学高2017级上期12月月考语文试题
- 江西宜春三中2017届高三第一学期第二次月考文科综合试题
- 内蒙古赤峰二中2017届高三上学期第三次月考英语试题
- 2017年六年级(上)数学期末考试卷
- 2017人教版小学英语三年级上期末笔试题
- 江苏省常州西藏民族中学2016-2017学年九年级思想品德第一学期第二次阶段测试试卷
- 重庆市九龙坡区七校2016-2017学年上期八年级素质测查(二)语文学科试题卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016年12月八年级语文阶段性测试卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016-2017学年七年级英语12月阶段检测试卷
- 山东省邹城市第八中学2016-2017学年八年级12月物理第4章试题(无答案)
- 【人教版】河北省2015-2016学年度九年级上期末语文试题卷(附答案)
- 四川省简阳市阳安中学2016年12月高二月考英语试卷
- 四川省成都龙泉中学高三上学期2016年12月月考试题文科综合能力测试
- 安徽省滁州中学2016—2017学年度第一学期12月月考高三英语试卷
- 山东省武城县第二中学2016.12高一年级上学期第二次月考历史试题(必修一第四、五单元)
- 福建省四地六校联考2016-2017学年上学期第三次月考高三化学试卷
- 甘肃省武威第二十三中学2016—2017学年度八年级第一学期12月月考生物试卷
网友关注
- Unit 5 what were you doing when the rainstorm came Section A (1a—2d)Word
- 血防健康教育责任状
- 我国上市公司治理中的独立董事制度研究
- 归去来兮辞
- 高考英语写作技巧 writingWord 文档
- 物资购置申请表
- 二年级下册数学基础知识复习题答案
- 伦敦桥Word
- 学校安全和法制教育调查问卷
- 数学《我身上的数》Word
- 考研“真人书”上架啦
- 三个儿子Word
- 第二讲 外汇交易2-即期外汇交易Word
- 夸家乡写话和春游日记评讲Word
- 英语(语法规律)
- 安妮日记读后感
- 客服人员话术及常出问题的解决办法
- 马克思主义中国化的世界影响
- 兰州西班牙语培训哪里好
- 社会心理学作业一组战勐201201862答案Word
- 经营计划部岗位说明及分工
- 南昌西班牙语培训哪里好
- 第二章合并会计报表概述14Word
- 寻找不一般的易班宝藏 (2)
- 1.社会心理学是什么Word
- 消防安全教育课件-25pWord
- 团队冲突管理 (1)Word
- 大连雅思培训之雅思大作文如此构思才引好感
- 常用“阿语、汉语”对照手册
- 南宁市盲聋哑学校-消防安全教育-22pWord
网友关注视频
- 【部编】人教版语文七年级下册《过松源晨炊漆公店(其五)》优质课教学视频+PPT课件+教案,辽宁省
- 化学九年级下册全册同步 人教版 第25集 生活中常见的盐(二)
- 【部编】人教版语文七年级下册《逢入京使》优质课教学视频+PPT课件+教案,安徽省
- 冀教版小学数学二年级下册第二单元《有余数除法的整理与复习》
- 七年级下册外研版英语M8U2reading
- 【部编】人教版语文七年级下册《老山界》优质课教学视频+PPT课件+教案,安徽省
- 北师大版小学数学四年级下册第15课小数乘小数一
- 六年级英语下册上海牛津版教材讲解 U1单词
- 苏科版数学八年级下册9.2《中心对称和中心对称图形》
- 19 爱护鸟类_第一课时(二等奖)(桂美版二年级下册)_T3763925
- 【部编】人教版语文七年级下册《逢入京使》优质课教学视频+PPT课件+教案,辽宁省
- 【部编】人教版语文七年级下册《泊秦淮》优质课教学视频+PPT课件+教案,天津市
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 8
- 外研版英语七年级下册module1unit3名词性物主代词讲解
- 冀教版小学数学二年级下册第二单元《余数和除数的关系》
- 北师大版数学 四年级下册 第三单元 第二节 小数点搬家
- 外研版八年级英语下学期 Module3
- 人教版历史八年级下册第一课《中华人民共和国成立》
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit5
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit2
- 【部编】人教版语文七年级下册《泊秦淮》优质课教学视频+PPT课件+教案,辽宁省
- 30.3 由不共线三点的坐标确定二次函数_第一课时(市一等奖)(冀教版九年级下册)_T144342
- 第12章 圆锥曲线_12.7 抛物线的标准方程_第一课时(特等奖)(沪教版高二下册)_T274713
- 沪教版八年级下册数学练习册21.3(3)分式方程P17
- 二次函数求实际问题中的最值_第一课时(特等奖)(冀教版九年级下册)_T144339
- 第8课 对称剪纸_第一课时(二等奖)(沪书画版二年级上册)_T3784187
- 冀教版小学数学二年级下册1
- 苏科版数学七年级下册7.2《探索平行线的性质》
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit1
- 二年级下册数学第一课
精品推荐
- 2016-2017学年高一语文人教版必修一+模块学业水平检测试题(含答案)
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
分类导航
- 互联网
- 电脑基础知识
- 计算机软件及应用
- 计算机硬件及网络
- 计算机应用/办公自动化
- .NET
- 数据结构与算法
- Java
- SEO
- C/C++资料
- linux/Unix相关
- 手机开发
- UML理论/建模
- 并行计算/云计算
- 嵌入式开发
- windows相关
- 软件工程
- 管理信息系统
- 开发文档
- 图形图像
- 网络与通信
- 网络信息安全
- 电子支付
- Labview
- matlab
- 网络资源
- Python
- Delphi/Perl
- 评测
- Flash/Flex
- CSS/Script
- 计算机原理
- PHP资料
- 数据挖掘与模式识别
- Web服务
- 数据库
- Visual Basic
- 电子商务
- 服务器
- 搜索引擎优化
- 存储
- 架构
- 行业软件
- 人工智能
- 计算机辅助设计
- 多媒体
- 软件测试
- 计算机硬件与维护
- 网站策划/UE
- 网页设计/UI
- 网吧管理