In this study, the multilayered thin films of (Ba,Sr)TiO3/K(Ta,Nb)O3 were fabricated by the sol-gel and spin coating methods, and their structural and electrical properties were investigated. The specimen showed polycrystalline X-ray diffraction (XRD) characteristics with a tetragonal structure. The average grain size and film thickness for one coating were about 30~40nm and 60nm, respectively. The phase transition temperature of specimen was lower than 10 ℃. The dielectric constant and loss at 20 ℃ of the specimen coated six times were 1,231 and 0.69, respectively. The rate of change in dielectric constant at an applied direct current (DC) voltage of the six times coated thin films was 17.3%/V. The electrocaloric effect was the highest around the temperature at which the remanent polarization rapidly changed. When an electric field of 660kV/cm was applied to the triply coated thin films, the highest electrocaloric property of 4.41 ℃ was observed.
This study was conducted on the structural and electrical properties of (Ba0.7Sr0.3)TiO3 thin films prepared by the sol-gel and spin-coating methods in order to investigate their applicability to electrocaloric devices. All specimens showed a tetragonal crystal structure and lattice constants of a = 3.972 Å, c = 3.970 Å. The mean grain size of specimens sintered at 800 ℃ was about 30 nm, and the average thickness of 5 times coated specimens was 304~311 nm. In the specimen sintered at 750 ℃, The relative dielectric constant and loss of specimens measured at 20 ℃ were 230 and 0.130, respectively, while dependence of the dielectric constant on unit DC voltage was -8.163 %/V. The remanent polarization and coercive fields were 95.5 μC/㎠ and 161.3 kV/cm at 21 ℃, respectively. And, the highest electrocaloric property of 2.69 ℃ was observed when the electric field of 330 kV/cm was applied.
This study investigated the structural and electrical properties of thin K(Ta0.6Nb0.4)O3 films for their applicability to electrocaloric devices. Both of the sol-gel and spin coating methods were used to fabricate thin films. Those sintered at 650 ℃ showed a KTN phase with pyrochlore of K2Ta2O6, but those sintered at 750 ℃ showed pure polycrystalline phase without a pyrochlore phase. The lattice constants observed were a= 3.990nm. The dielectric constant rapidly decreased due to decrease in polarization of space charge approximately at an applied frequency of 10 kHz. The dielectric constant and loss at 30 ℃ of the thin films sintered at 750 ℃ were 3,617 and 0.264. The dielectric constant of the specimen sintered at 750 ℃ decreased to about -8.27 %/V according to the applied DC field. The remanent polarization and coercive field at 36 ℃ of the specimen sintered at 750 ℃ were 20.0 µC/cm2 and 122.6 kV/cm. When the electric field of 247 kV/cm was applied to the specimen sintered at 750 ℃, the highest electrocaloric property of 3.02 ℃ was obtained.
Deformation in the hysteresis loop of $Pb(Zr,Ti)O_3$ (PZT) thin films with various Zr/Ti ratios has been studied by varying the top electrode preparation method and the annealing temperature. Pt/PZT/Pt capacitors was found to be positively poled due to dc plasma potential generated during reactive ion etch (RIE) of Rt. Internal field is formed by space charges trapped at domain boundaries. Aging phenomenon such as constriction in the middle of the hysteresis loop was observed in the PZT film with top electrode deposited by sputtering. Top electrode annealing restores the hysteresis loop by removing the space charges. As Zr/Ti ratio decrease, voltage shift increases and an-nealing temperature at which internal field disappears also increases.
$SrBi_2Nb_2O_9(SBN)$ thin films were grown on Pt/Ti/Si and p-type Si(100) substrates by rf-magnetron co-sputtering method using two ceramic targets, $SrNb_2O_6\; and \;Bi_2O_3$. The structural and electrical characteristics have been investigated to confirm the possibility of the SBN thin films for the applications to destructive and nondestructive read out ferroelectric random access memory(FRAM). For the optimum growth condition X-ray diffraction patterns showed that SBN films had well crystallized Bi-layered perovskite structure after $700^{\circ}C$ heat-treatment in furnace. From this specimen we got remnant polarization $(2P_r)$ of about 6 uC/$\textrm{cm}^2$ and coercive voltage $(V_c)$ of about 1.5 V at an applied voltage of 5 V. The leakage current density was $7.6{\times}10^{-7}$/A/$\textrm{cm}^2$ at an applied voltage of 5V. And for the NDRO-FRAM application, properties of SBN films on Si substrate has been investigated. From transmission electron microscopy (TEM) analysis, we found the furnace treated sample had a native oxide about 2 times thicker than the RTA treated sample and this thick native oxide layer had a bad effect on C-V characteristics of SBN/Si thin film. After $650^{\circ}C$ RTA process, we got the improved memory window of 1.3 V at an applied voltage of 5 V.
To understand the defect chemistry of multiferroic $BiFeO_3-based$ systems, we synthesized nonstoichiometric $Bi_{1+x}FeO_{3{\pm}{\delta}}$ ceramics by conventional solid-state reaction method and studied their structural, dielectric and high-temperature charge transport properties. Incorporation of an excess amount of $Bi_2O_3$ lowered the Bi deficiency in $BiFeO_3$. Polarization versus electric field (P-E) hysteresis loop and dielectric properties were found to be improved by the $Bi_2O_3$ addition. To better understand the defect effects on the multiferroic properties, the high temperature equilibrium electrical conductivity was measured under various oxygen partial pressures ($pO_2{^{\prime}}s$). The charge transport behavior was also examined through thermopower measurement. It was found that the oxygen vacancies contribute to high ionic conduction, showing $pO_2$ independency, and the electronic carrier is electron (n-type) in air and Ar gas atmospheres.
Lead free $(Ba_{0.7}Ca_{0.3})TiO_3$ thick films with nano-sized grains are prepared using an aerosol deposition (AD) method at room temperature. The crystallinity of the AD thick films is enhanced by a post annealing process. Contrary to the sharp phase transition of bulk ceramics that has been reported, AD films show broad phase transition behaviors due to the nano-sized grains. The polarization-electric hysteresis loop of annealed AD film shows ferroelectric behaviors. With an increase in annealing temperature, the saturation polarization increases because of an increase in crystallinity. However, the remnant polarization and cohesive field are not affected by the annealing temperature. BCT AD thick films annealed at $700^{\circ}C/2h$ have an energy density of $1.84J/cm^3$ and a charge-discharge efficiency of 69.9 %, which is much higher than those of bulk ceramic with the same composition. The higher energy storage properties are likely due to the increase in the breakdown field from a large number of grain boundaries of nano-sized grains.
This study examines paraelectric $Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7$ (BZN), which has no hysteresis and high dielectric strength, for energy density capacitor applications. To increase the breakdown dielectric strength of the BZN film further, poly(vinylidene fluoride) BZN-PVDF composite film is fabricated by aerosol deposition. The volume ratio of each composition is calculated using dielectric constant of each composition, and we find that it was 12:88 vol% (BZN:PVDF). To modulate the structure and dielectric properties of the ferroelectric polymer PVDF, the composite film is heat-treated at $200^{\circ}C$ for 5 and 30 minutes following quenching. The amount of ${\alpha}-phase$ in the PVDF increases with an increasing annealing time, which in turn decreases the dielectric constant and dielectric loss. The breakdown dielectric strength of the BZN film increases by mixing PVDF. However, the breakdown field decreases with an increasing annealing time. The BZN-PVDF composite film has the energy density of $4.9J/cm^3$, which is larger than that of the pure BZN film of $3.6J/cm^3$.
Sol-Gel derived ferroelectric Pb(Z $r_{0.52}$$Ti_{0.48}$) $O_{3}$ thin films have been fabricated on Pt/Ti/ $SiO_{2}$/Si substrate. Two kinds of fast annealing methods, F-I (six times of intermediate and final annealing) and F-II(one final annealing after six times of intermediate annealing) were used for preparation of multi-coated PZT thin films. As the annealing temperature was increased, high capacitance could be obtained, for instance, 2700.angs.-thick PZT thin film annealed at 680.deg. C had a capacitance value of approximately 20nF at 1kHz. In addition, it is found that the dielectric constant is a function of the perovskite phase fraction. In case of F-I method, PZT thin film had a remanent polarization(Pr) of 8-15.mu.C/c $m^{2}$ and a coercive field( $E_{c}$) of 35-44kV/cm according to annealing temperature, whereas PZT film fabricated by F-II method had as high as 24-25.mu.C/c $m^{2}$ and 48-59kV/cm, respectively. As a result of measuring Curie temperature, PZT thin film had a range of 460-480.deg. C by F-I method and more or less higher range of 525-530.deg. C by F-II method, which implied that different microstructures could cause the different Curie temperature. Through I-V measurement, leakage current of PZT thin film fabricated by F-I and F-II methods was 64nA/c $m^{2}$ and 2.2.mu.A/c $m^{2}$ in the electric field of 100kV/cm, respectively.y.y.y.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.14
no.2
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pp.93-98
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2001
YMnO$_3$ films are excellent gate dielectric materials of ferroelectric random access memories (FRAMs) with MFSFET (metal -ferroelectric-semiconductor field effect transistor) structure because YMnO$_3$ films can be deposited directly on Si substrate and have a relatively low permittivity. Although the patterning of YMnO$_3$ thin films is the requisite for the fabrication of FRAMs, the etch mechanism of YMnO$_3$ thin films has not been reported. In this study, YMnO$_3$thin films were etched with Cl$_2$/Ar gas chemistries in inductively coupled plasma (ICP). The maximum etch rate of YMnO$_3$ film is 285$\AA$/min under Cl$_2$/(Cl$_2$+Ar) of 1.0, RF power of 600 W, dc-bias voltage of -200V, chamber pressure of 15 mTorr and substrate temperature of $25^{\circ}C$. The selectivities of YMnO$_3$ over CeO$_2$ and $Y_2$O$_3$ are 2.85, 1.72, respectively. The selectivities of YMnO$_3$ over PR and Pt are quite low. Chemical reaction in surface of the etched YMnO$_3$ thin films was investigated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) surface of the selected YMnO$_3$ thin films was investigated with X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and secondary ion mass spectrometry (SIMS). The etch profile was also investigated by scaning electron microscopy(SEM)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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