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 
.
а 
б
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 
б
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 
б 
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.