JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tässä työssä tutkittiin ferrosähköisten ohutkalvomateriaalien PbTiO3 (lyijytitanaatti) ja PbSc0.5Nb0.5O3 (lyijyskandiumniobaatti) dielektrisiä ominaisuuksia eli suhteellisen permittiivisyyden reaali- ja imaginääriosaa ε_F^’ ja ε_F^" sekä häviökerrointa tan δ. Ominaisuuksia tutkittiin taajuuden ja lämpötilan funktiona siten, että tutkittu taajuusväli oli 100 HZ–1 MHz ja lämpötilaväli 100 K–600 K. Koska ferrosähköisillä materiaaleilla on usein hyvin suuri suhteellisen permittiivisyyden arvo (jopa yli 10000), voidaan tätä erikoista ominaisuutta hyödyntää useissa sovelluksissa. Ferrosähköisten ohutkalvomateriaalien dielektrisiä ominaisuuksia tutkittiin mittaamalla levykondensaattorikomponentteja, joiden eristekerros oli valmistettu mainituista materiaaleista. LCR-mittarilla mitatun kondensaattorin kompleksisen impedanssin reaali- ja imaginäärikomponenteista määritettiin vaaditut dielektriset ominaisuudet. Määrityksen apuna käytettiin kondensaattorin kolmea erilaista piensignaalimallia. Näiden mallien yhteydessä tutkittiin myös kondensaattorin eristekalvon ja elektrodien resistiivisyyden vaikutusta määritettäviin dielektrisiin ominaisuuksiin suorittamalla demonstraatioita siitä, kuinka paljon teoreettisesti laskettu dielektrisen ominaisuuden arvo poikkesi vakioksi oletetusta arvosta. Työssä demonstroitiin, että suoraan LCR-mittarin ilmoittamasta kapasitanssista (Cs tai Cp) ja häviöistä (tan δ) määritetyt dielektriset ominaisuudet voivat riippua merkittävästi eristekalvon ja käytetyn elektrodin resistiivisyydestä. Varsinkin tietyillä taajuusalueilla voidaan saada epärealistisia dielektristen ominaisuuksien arvoja. Näin tapahtui esimerkiksi silloin, kun tutkittiin suureen ε_s^’ riippuvuutta taajuudesta. Pienillä taajuuksilla saatiin tällöin aivan liian suuria arvoja, kun kalvon resistiivisyys pieneni. Elektrodien resistiivisyys ei vaikuttanut suureen ε_s^’ arvoihin. Sen sijaan suureen ε_p^’ arvoon elektrodien resistiivisyys vaikutti ja tällöin saatiin liian pieniä lukemia suurilla taajuuksilla, kun elektrodien resistiivisyys kasvoi. Ilman elektrodien resistiivisyyden vaikutusta häviökerroin tan δ sai pienillä taajuuksilla liian suuria arvoja kalvon resistiivisyyden pienentyessä sekä C_S- että C_P-moodissa. Kun häviökertoimen määrityksessä otettiin huomioon myös elektrodien resistiivisyys, huomattiin, että pienillä ja suurilla taajuuksilla saatiin liian suuria arvoja kummassakin moodissa. Tutkittujen materiaalien dielektriset ominaisuudet riippuivat voimakkaasti taajuudesta ja lämpötilasta. Huoneen lämpötilassa taajuusvälillä 100 Hz–106 Hz lyijytitanaatin suhteellinen permittiivisyys vaihteli välillä 150–250 ja tan δ välillä 0,024–0,5. Lämpötilavälillä 100 K–600 K ja taajuusvälillä 100 Hz–106 Hz lyijyskandiumniobaatin suhteellinen permittiivisyys vaihteli välillä 57–2550 ja tan δ välillä 0,024–5,2.

Dielectric characterization of ferroelectric thin films

Abstract

In this work, the dielectric properties of epitaxial thin film ferroelectric materials PbTiO3 (lead titanate) and PbSc0.5Nb0.5O3 (lead scandium niobate), i.e. the real and imaginary parts of relative permittivity 𝜺𝑭’ and 𝜺’𝑭’ and the loss factor tan δ were investigated. These properties were studied as a function of frequency and temperature with a frequency range of 100 Hz to 1 MHz and a temperature range of 100 K to 600 K. Because ferroelectric materials often have a very high relative permittivity value (up to more than 10,000), this special property can be exploited in many applications. The dielectric properties of the ferroelectric materials were studied by measuring parallel plate capacitor components formed by epitaxial growth of perovskite oxide bottom electrode and ferroelectric layers on single-crystal perovskite substrate. The capacitor complex impedance was measured with an LCR meter, the real and imaginary components of which could be used to calculate the required dielectric properties. Three different capacitor small signal models were used to determine the dielectric properties. In connection with these models, the effect of the film and electrode resistivity on the dielectric properties was investigated by performing demonstrations of how much the theoretically calculated value of the dielectric property deviated from the constant assumed value. The work demonstrated that the dielectric properties determined directly from the capacitance (Cs or Cp) and losses (tan δ) reported by the LCR meter can significantly depend on the resistivity of the insulating film and the electrode used. Especially in certain frequency ranges, unrealistic values of dielectric properties can be obtained. This was the case, for example, when studying the frequency dependence of 𝜺𝒔’. At low frequencies, far too high values were then obtained as the resistivity of the film decreased. The resistivity of the electrodes did not affect the values of the quantity 𝜺𝒔’. Instead, it affected the value of the quantity 𝜺𝒑’ and then too small readings were obtained at high frequencies as the resistivity of the electrodes increased. Without the effect of electrode resistivity, the loss factor tan δ obtained too high values at low frequencies as the film resistivity decreased in both Cs and Cp modes. When the resistivity of the electrodes was also taken into account in the determination of the loss factor, it was found that too high values were obtained at low and high frequencies in both modes. The dielectric properties of the studied materials were strongly dependent on frequency and temperature. At room temperature in the frequency range 100 Hz to 106 Hz, the relative permittivity of lead titanate varied from 150 to 250 and tan δ was between 0.024 and 0.5. In the temperature range of 100–600 K and frequency range of 100–106 Hz, the relative permittivity of lead scandium niobate ranged from 57 to 2550 and tan δ was between 0.024–5.2.