DSpace at VNU: Nghiên cứu tính chất của màng mỏng PZT cấu trúc nanô chế tạo bằng phương pháp dung dịch định hướng ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện

Nghiên cứu tính chất của màng mỏng PZT cấu
trúc nanô chế tạo bằng phương pháp dung dịch
định hướng ứng dụng cho bộ nhớ sắt điện
Nguyễn Huy Tiệp
Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội
Luận văn ThS. Vật liệu và linh kiện nano
Người hướng dẫn : TS. Bùi Nguyên Quốc Trình
Năm bảo vệ: 2013
64 tr .
Abstract. Tiến hành nghiên cứu và chế tạo màng mỏng PZT sử dụng phương pháp
dung dịch, vì đây là một phương pháp đơn giản, có chi phí đầu tư thấp, tiêu hao ít vật
liệu và năng lượng, rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam. Do đó, phần
việc chính của luận văn là tiến hành khảo sát ảnh hưởng của
điều kiện ủ lên cấu trúc tinh thể, đặc trưng sắt điện cùng như dòng rò của của màng
chế tạo được. Màng mỏng PZT đã được chế tạo trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si vả được ủ
theo hai quy trình: (i) nhiệt độ cao sử dụng lò ủ nhiệt chậm và (ii) ủ nhiệt thấp sử dụng
lò ủ nhiệt nhanh (RTA: Rapid Thermal Annealing). Các kết quả thu được cho thấy
màng PZT ủ nhiệt độ cao có pha kết tinh perovskite khi nhiệt độ ủ lớn hơn 550o C.
Màng
mỏng này cho cấu trúc tinh thể, đặc trưng điện trễ và dòng rò tốt nhất khi nhiệt độ ủ
đạt 600oC. Trong khi đó, khi sử dụng quy trình ủ nhiệt nhanh (RTA) thì nhiệt độ kết
tinh được giảm xuống chỉ còn 450oC. Do yêu cầu cần ổn định khi chế tạo bộ nhớ sắt
điện, màng mỏng PZT ủ tại 600oC đã được sử dụng để chế tạo bộ nhớ sắt điện thử
nghiệm với kênh dẫn là màng mỏng ô-xít bán dẫn ITO (In2O3 pha tạp thiếc). Hoạt
động của bộ nhớ thử nghiệm chỉ ra rằng, tỉ số mở/đóng điển hình là oảng 105, cửa số
nhớ rộng khoảng 2 V. Đặc trưng truyền qua cho thấy khả năng bão hòa và dòng mở
lớn hơn so với thiết bị truyền thổng. Đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên tại
Việt Nam thành công trong việc chế tạo màng mỏng PZT có chất lượng cao bằng
phương pháp dung dịch, và đặc biệt là thành công trong việc chế tạo và khảo sát bộ
nhớ sắt điện. Kết quả thu được là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa
quy trình chế tạo, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng thực tế cho loại vật liệu đầy

tiềm năng này..


Keywords. Vật liệu Nano; Cấu trúc Nano; Phương pháp dung dịch; Bộ nhớ sắt điện;
Màng mỏng PZT

Content.
Trong những năm gần đây, những nghiên cứu và phát triển màng mỏng sắt điện đã và
đang diễn ra rất mạnh mẽ và đa dạng nhằm định hướng cho những ứng dụng sản xuất
bộ nhớ hay các hệ điều khiển vi cơ điện tử. Trong số các vật liệu sắt điện nói chung,
các ô-xit có cấu trúc tinh thể perovskite chiếm một số lượng lớn và đã thu hút được
nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong các vật
liệu sắt điện điển hình với các tính chất điện và sắt điện lý thú với khả năng ứng dụng
rộng rãi trong thực tế là PbZrxTi1-xO3 (ký hiệu PZT), vì có những ưu điểm như độ
phân cực điện dư lớn, trường kháng điện nhỏ thích hợp với thiết bị hoạt động ở thế
điều khiển thấp và nhiệt độ kết tinh có thể hạ xuống thấp hơn so với một số loại vật
liệu sắt điện khác.
Nội dung chính của luận văn này là tiến hành nghiên cứu và chế tạo màng mỏng PZT
sử dụng phương pháp dung dịch, vì đây là một phương pháp đơn giản, có chi phí đầu
tư thấp, tiêu hao ít vật liệu và năng lượng, rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại
Việt Nam. Do đó, phần việc chính của luận văn là tiến hành khảo sát ảnh hưởng của
điều kiện ủ lên cấu trúc tinh thể, đặc trưng sắt điện cũng như dòng rò của của màng
chế tạo được. Màng mỏng PZT đã được chế tạo trên đế Pt/TiO2/SiO2/Si vả được ủ
theo hai quy trình: (i) nhiệt độ cao sử dụng lò ủ nhiệt chậm và (ii) ủ nhiệt thấp sử dụng
lò ủ nhiệt nhanh (RTA: Rapid Thermal Annealing). Các kết quả thu được cho thấy
màng PZT ủ nhiệt độ cao có pha kết tinh perovskite khi nhiệt độ ủ lớn hơn 550oC.
Màng mỏng này cho cấu trúc tinh thể, đặc trưng điện trễ và dòng rò tốt nhất khi nhiệt
độ ủ đạt 600oC. Trong khi đó, khi sử dụng quy trình ủ nhiệt nhanh (RTA) thì nhiệt độ
kết tinh được giảm xuống chỉ còn 450oC. Do yêu cầu cần ổn định khi chế tạo bộ nhớ
sắt điện, màng mỏng PZT ủ tại 600oC đã được sử dụng để chế tạo bộ nhớ sắt điện

thử nghiệm với kênh dẫn là màng mỏng ô-xít bán dẫn ITO (In2O3 pha tạp thiếc). Hoạt
động của bộ nhớ thử nghiệm chỉ ra rằng, tỉ số mở/đóng điển hình là khoảng 105, cửa
số nhớ rộng khoảng 2 V. Đặc trưng truyền qua cho thấy khả năng bão hòa và dòng mở
lớn hơn so với thiết bị truyền thống. Đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên tại
Việt Nam thành công trong việc chế tạo màng mỏng PZT có chất lượng cao bằng
phương pháp dung dịch, và đặc biệt là thành công trong việc chế tạo và khảo sát bộ
nhớ sắt điện. Kết quả thu được là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa
quy trình chế tạo, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng thực tế cho loại vật liệu đầy
tiềm năng này.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Năng Định (2005), Vật lý và kỹ thuật màng mỏng, NXB ĐHQGHN.
Tiếng Anh
[2]. Alexe M. (1999), “Nanoelectronics needs new materials”, Physics World 12, 21.
[3]. Amanuma K., Hase T., Miyasaka Y. (1994), “Fatigue Characteristics of Sol-Gel
Derived Pb(Zr, Ti)O3 Thin Films”, Jpn. J. Appl. Phys. 33, 5211.
[4]. Ami T., Hironaka K. et al. (1996), MRS Proc. 415, 195.
[5]. Auciello O., Dat. R. and Ramesh R. (1996), Ferroelectric Thin Films, eds.
Araujo C., Scott J.F., and Taylor G.W., Gordon & Breach, New York, p.525.
[6]. 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, No. 4/5, 449464.
[7]. Brinker J., Scherer G.W. (1990), “Sol-Gel Science”, Academic Press.
[8]. Chrisey D. B. and Huber G.K. (1994), Pulsed Laser De-position of Thin Films,
Wiley, New York.
[9]. Dong X., Wu X., Sun G., Xie Y., Li H., Chen Y. (2008), “Circuit and
microarchitecture evaluation of 3D stacking magnetic RAM (MRAM) as a

universal memory replace-ment”, Proceedings of the 45th annual Design
Automation Conference, June 08-13, Anaheim, California.
[10]. Das Saptarshi and Appenzeller Joerg (2011), FETRAM- an Organic
Ferroelectric Material Based Novel Random Access Memory Cell, Birck and
NCN Publications, pp. 778.


[11]. De Keijer M. et al. (1996), Ferroelectric Thin Films, eds. C. Paz de Araujo, J.F.
Scott, and G.W. Taylor, Gordon & Breach, New York, p.485.
[12]. Drexel University textbook, Piezoelectric material., 10.
[13]. Gao Z., Tsou A.H. (1999), “Mechanical properties of polymers containing
fillers”, J Polymer Science: Part B: Polymer Physics :37; 155-172.
[14]. Gutleben C.D.(1996), MRS Proc. 433, 109.
[15]. Gutleben C.D. (1997), Appl. Phys. Lett. 71, 3444.
[16]. Han Hui-Seong (2009), “Electric Properties of PVDF-TrFE (75/25) Thin Films
with a Lanthanum Zirconium Oxide Bu er Layer for FeRAM”, Journal of the
Korean Physical Society, Vol. 55, No. 2, pp. 898∼901.
[17]. Hanold R. Cl F. (1975), U. S. Patent # 4,081,857.
[18]. Horwitz J.S., Grabowski K.S., Chrisey D.B. and Leuchtner R.E. (1991), “Insitu
deposition of epitaxial PbZrxTi1-xO3 thin films by pulsed laser deposition”, Appl.
Phys. Lett. 59, 1565.
[19]. />[20]. Ibos L, et. al. (2000), “Correlation between pyroelectric properties and dielectric
behavior in ferroelectric polymers”, Ferroelectrics: 238, 163-170.
[21]. Ishiwara H., Okuyama M., Arimoto Y. (2004), Ferroelectric Random Access
Memories Fundamentals and Application, Topics in applied physics, V.93.
[22]. Isobe C. et al. (1997), International Symposium of Integrated Ferroelectrics.
Santa- Fe, New Mexico, March 1997, Integ. Ferroelec. 14, 95.
[23]. Kalkur T. S. et al. (1994)., Integ. Ferroelec. 1, 327 (1992); MRS Proc. 230, 315
(1992); Integ. Ferroelec. 5, 177 .
[24]. Kato K. (1998), Integ. Ferroelec. 22, 13.

[25]. Kawai H. (1969), “The Piezoelectricity of PVDF”, Jap. J. Appl. Phys, Vol 8, 975.
[26]. Kaza S. (2006), “Ferroelectric polymer thin films for solid-state non-volatile
random access memory applications”, Electronic Doctoral Dissertations for
UMass Amherst, Paper AAI3206210.
[27]. Kim D.C., Jo W., Lee II. M., and Kim K.Y. (1997), Integ. Ferroelec. 18, 137.
[28]. Kim K.J., Kim G.B., Vanlencia C.L., Rabolt J.F. (1994), “Curie transition,
ferroelectric crystal structure, and ferroelectricity of a VDF/TrFE (73/25)
copolymer 1. The effect of the consecutive annealing in the ferroelectric state on
curie transition and ferroelectric crystal structure”, J Polymer Science: Part B:
Polymer Physics:32, 2435-2444.
[29]. Kingon A.I., Maria J.P. and Streiffer S. K. (2000), Nature (London) 406, 1032.
[30]. Kryder M.H., Kim C.S. (2009), “After Hard Drives - What Comes Next?”. IEEE
Transactions on Magnetics, Volume 45, Issue 10, pp. 3406 - 3413.
[31]. Lappalainena J., Puustinena J., Hiltunenb J. and Lantto V. (2010), “Pulsed-laser
deposited amorphous-like PZT next term thin-films: Microstructure and optical
properties”, Journal of the European Ceramic Society Volume 30, Issue 2, pp.
497-502.
[32]. Lee B.C., Zhou P., Yang J., Zhang Y., Zhao B., Ipek E., Mutlu O., Burger
D.(2010), “Phase-Change Technology and the Future of Main Memory”, IEEE
Micro, vol. 30, no. 1, pp. 143.
[33]. Lee J., Ramesh R. et. al. (1994), Integ. Ferroelec. 5, 145.
[34]. Lee J.K., Song T.K., and Jung H. Y. (1997), Integ. Ferroelec. 15, 115.
[35]. Li T.K. et al. (1996), Appl. Phys. Lett. 68, 616, MRS Proc. 415, 189.
[36]. Lin H. et al. (1994), Integ. Ferroelec. 5, 197.


[37]. Maher G.H. (1979), US Patent #4,266, 265.
[38]. Matsubara M. et al. (1992), MRS Proc. 200, 243, 281.

[39]. Meier A.R., Niu F. and Wessels B.W. (2006), “Integration of BaTiO3 on Si(001)
using MgO/STO buffer layers by molecular beam epitaxy”, Journal of crystal
growth 294, 401.
[40]. Merz W. J., Phys. Rev. 91, 1953, 513
[41]. Moulson A.J., Herbert J.M. (2003), Electroceramics, Material, Properties and
Applications, Wiley & Sons, pp. 73 - 92, 411 - 430.
[42]. Noguchi T., Hase T., Miyasaga Y. (1996), Jpn. J. Appl. Phys. 35, 4900.
[43]. Pack S.H., Park C.S., Won J.H., and Lee K.S. (1996), MRS Proc. 443, 33
[44]. Paz de Araujo C.A., McMillan L.D., and Scott J. F. (1991), MRS Proc. 230, 277.
[45]. Pierre C. (1998), Introduction to Sol-gel Processing, Kluwer Academic Publisher,
pp. 1-25.
[46]. Polla D.L. and Fraancis L.F., Annu (2000), Rev. Mater. Sci. 28, 1998, 563.,
[47]. Rabe K.M., Ahn C.H. and Triscone J.M. (Eds.) (2007), Physics of
Ferroelectrics: A modern perspective, Springer Publisher.
[48]. Ramesh R., Auciello O., Keramidas V.G. and Dat R. (1994), “Pulsed laser
ablation-deposition andcharacterisation of ferroelectric metal oxide

heterostructures”, Science and Technology of Electroceramic Thin films, Eds. O.
Auciello and R. Waser.
[49]. Ramesh R. et. al. (1991), Science 252, 944.
[50]. Raoux S., Burr G.W., Breitwisch M.J., Rettner C.T., Chen Y.C., Shelby R.M.,
Salinga M. (2008) “Phase-Change Random Access Memory: A Scalable


Technology” , IBM J. Res. & Dev. 52, No. 4/5, 465479.
[51]. Roy D., Krupanidhi S.B. and Dougherty J.P. (1991), “Excimer laser ablated lead
zirconate titanate thin films”, J. Appl. Phys. 69, 7930.
[52]. Scott J.F., Kammerdiner L., Paris M., Traynor S., Ottenbacher V., Shawabkeh A.,
and Oliver W.F.(1988), J. Appl. Phys., 64, 787.
[53]. Setter N. (2002), Piezoelectric materials in devices, Ceramics Laboratory, EPFL,

Swizertlands.
[54]. Shintaro Yokoyama, Yoshihisa Honda, Hitoshi Morioka, Gouji Asano, Takahiro
Oikawa, Takashi Iijima, Hirofumi Matsuda and Hiroshi Funakubo(2003), Jpn. J.
Appl. Phys. 42, , pp. 5922 – 5926.
[55]. Solomon H. Kolagani (2009), “Plasma Energetic in Pulsed Laser Deposition and
Pulsed Electron Deposition”, American Physical Society, APS March Meeting,
March 16-20.
[56]. Tao W., Desu S. B., and Li T. K. (1995), Mater. Lett. 23, 177.
[57]. Thang P.D., Pham M.T.N., Rijnders G., Blank D.H.A., Duc N.H., Klaasse J.C.P.
and Brück E. (2008), “Multiferroic CoFe2O4-Pb(Zr,Ti)O3 nanostructures”, J.
Korean Phys. Soc. 52, 1406.
[58]. Turova N. Ya and Yanovskaya M.I. (1996), Ferroelectric Thin Films, eds. Paz
de Araujo C., Scoot J.F. and Taylor G.W., Gordon @ Breach, New York, p.233.
[59]. U.S. Patent 6, 531, 371.
[60]. U.S. Patent 7, 292, 469.
[61]. Verardi P., Dinescu M. and Craciun F. (2000), “Pulsed laser deposition and
characterisation of PZT thin films”, Appl. Surf. Sci. 154-155, 514.
[62]. Wang T.T., Herbert J.M. , Glass A.M. (1998), The Applications of Ferroelectric


Polymers, Blackie, Glascow and London.
[63]. Yamamichi S. et. al. (1995), IEEE IEDM p.119.
[64]. Yang Zhang et al (2013), J. Phys. D: Appl. Phys. 46 145101.
[65]. Yang C.H., Park S.S., and Yoon S.G. (1997), Integ. Ferroelec. 18. 377.