Resumos

Obtenção e caracterização de filmes finos ferroelétricos: Grupo LIEC – UFSCar

(Preparation and Chacterization of ferroelectric thin films)

E. Longo, E. R. Leite,

LIEC – Departamento de Química, Universidade Federal de S. Carlos

Rod. Washington Luiz, km 325, C.P. 676, S. Carlos, SP, 13565-905

J. A. Varela, M. Cilense

LIEC - Instituto de Química,Universiade Estadual Paulista

R. Francisco Degni, s/n, C. P. 335, Araraquara, SP, 14800-900

Resumo

Serão apresentados, resumidamente, os resultados obtidos com as pesquisas em filmes finos ferroelétricos desenvolvidas no LIEC/UFSCar. Foram enfatizados os compostos titanato de estrôncio e bário, bem como os niobatos e tantalatos de estrôncio e bismuto.

Palavras-chave: filmes finos ferroelétricos, titanatos, niobatos tantalatos

Abstract

The results obtained in the study of ferroelectric thin films ceveloped at LIEC-UFSCar in S. Carlos, SP, Brazil are brisfly described. Emphasis hasbeen put on strontium and barium titanates as well as on bismuth and strontium niobates and tantalantes.

Keywords: ferroelectric thin films, titanates, niobates, tantalates

PESQUISA CIENTIFÍCA

Obtenção de ST, BT e BST por método químico

Este trabalho foi executado no LIEC pelos doutorandos Fenelon M.L. Pontes e Eudes B. Araújo.

Os dispositivos eletrônicos estão continuamente reduzindo de tamanho os capacitores cerâmicos e DRAM’s "memória de acesso aleatória dinâmica", objetivando novos e melhores materiais, os quais podem manter maiores propriedades dielétricas com pequenas dimensões. Desta forma, os compostos BaTiO₃ (BT), SrTiO₃ (ST) e (Ba, Sr)TiO₃ (BST) exibem uma alta constante dielétrica resultando numa alta densidade de armazenamento de carga, comparáveis aos filmes PZT e PLZT e muito maior do que os materiais SiO₂ e Ta₂O₅. Várias técnicas foram usadas para a obtenção de filmes finos ST, BT e BST entre elas estão: "Sputtering", Abrasão a Laser, Co-evaporação reativa, sol-gel, MOCVD "Metalorganic Chemical Vapor Deposition" , CVD "Chemical Vapor Deposition", BEM "Molecular Beam Epitaxy" etc [1-5].

Um método recentemente aplicado na obtenção de ST, BT e BST de estrutura tipo perovisquita tanto na forma de pós como de filmes finos é o método dos precursores poliméricos, também conhecido por método Pechini [6-9].

O objetivo do presente trabalho é a obtenção e a caracterização morfológica, estrutural e elétrica de filmes finos sobre diferentes substratos.

Na Fig. 1, estão apresentados algumas imagens obtidas pela técnica MFA (microscopia de força atômica) para os filmes finos de BT, ST e BST crescidos sobre substrato de MgO (100). Pode-se verificar diferentes morfologias para cada filme, no entanto, a presença da morfologia granular é bem definida, a Tabela I apresenta os resultados da rugosidade e tamanho médio de grão.

Os padrões de DRX, Figura 2, ilustram que os filmes finos de BT e BST cresceram orientados segundo o plano cristalográfico do substato MgO, enquanto ST foi obtido policristalino.

Filmes finos de Ba_xSr_1-xTiO₃ (x =0.6) também têm sido preparados com sucesso sobre substrato de Pt(111)/TiO₂/SiO₂/Si(100) pela técnica "spin coating" e tratados a 700 ^oC por 2 horas. Os filmes consistem de grãos de 60 nm com uma espessura de 480 nm. Os resultados de MEV (Fig. 3) ilustram que o filme possui uma superfície densa, homogênea e com baixa rugosidade.

Para medir as propriedades elétricas, vários eletrodos de Au foram depositados na superfície do filme, formando uma estrutura do tipo MIM (metal-isolante-metal), Fig. 4.

A constante dielétrica e o fator de dissipação (Fig. 5) foram medidos a temperatura ambiente e foram 748 e 0,042, respectivamente, medidos a 100 KHz.. A alta constante dielétrica é devido à alta qualidade microestrutural do filme fino obtido pelo método dos precursores poliméricos.

A constante dielétrica obtida foi superior para alguns filmes finos de BST obtidos por outras técnicas tais como "laser ablation" [10], sol-gel [11] e deposição de vapor químico [12]. A diminução da constante dielétrica observada a baixa frequência estão relacionadas a polarização interfacial, observada em outros filmes [13-14].

Obtenção de SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) e SrBi₂Nb₂O₉ (SBN)

Essa pesquisa está sendo realizada pelos doutorandos Sônia M. Zanetti e Eudes B. Araújo.

O composto SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) faz parte da família dos óxidos de camadas de bismuto ("bismuth layer oxide"). Essas estruturas podem ser consideradas em termos de camadas alternadas de óxido de estruturas tipo perovisquita¹⁵. Compostos com estruturas de camadas de bismuto são, geralmente, representados pela seguinte fórmula:

(Bi₂O₂)²⁺ (A_m-1B_mO_3m+1)^2- (A)

em que A é Bi³⁺, Ba²⁺, Sr⁺², Ca⁺², Pb²⁺, K⁺ ou Na⁺; B é Ti⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, Mo⁶⁺, W⁶⁺ ou Fe³⁺ e m é um número inteiro, de 1 a 8, ou uma fração como 2(1/2) ou 3(1/2)¹⁶.

O grande interesse em estudar esse tipo de composto reside em suas excelentes propriedades elétricas, inclusive fadiga por polarização desprezível (em torno de 10¹² ciclos de polarização), alta retenção de polarização e baixa corrente de fuga, sendo, portanto, um material alternativo ao titanato zirconato de chumbo (PZT) (um dos ferroelétricos mais estudados) [17].

Dentre os materiais ferroelétricos, o titanato zirconato de chumbo Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) tem sido considerado o candidato mais promissor para aplicações em memória não volátil. No entanto, o PZT mostrou uma séria degradação de suas propriedades ferroelétricas com as mudanças de polarização, que é a chamada "fadiga por polarização". A fadiga pode ser definida como a diminuição da polarização remanescente após vários ciclos de polarização/despolarização. Uma vez que a polarização deve ser revertida para ler ou escrever os dados na célula de memória, a fadiga torna-se um grande obstáculo para a utilização prática desse material. Por essa razão, os óxidos de camadas de Bismuto tais como: SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Nb₂O₉, SrBi₄Ti₄O_15, têm sido considerados como material ferroelétrico alternativo [18].

Estudos têm demonstrado que capacitores de materiais como SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) apresentam excelentes propriedades elétricas, quase nenhuma fadiga por polarização, alta retenção de polarização, baixa corrente de fuga e mínina tendência a impressão ("imprint") que é a tendência de um estado de polarização tornar-se mais estável do que o estado oposto[19]. No entanto, a temperatura de tratamento térmico requerida após a deposição para obter-se boas propriedades elétricas tem sido de 800-850^oC. Nessas temperaturas elevadas, o empilhamento dos eletrodos para os materiais ferroelétricos apresenta grande instabilidade e problemas de interações entre as subcamadas. A diminuição dessa temperatura de processamento para estabilizar essas intercamadas e reduzir os problemas de interações torna-se imperiosa. Por isso, ultimamente os esforços têm sido no sentido de encontrar técnicas de obtenção de filmes finos de SBT cristalinos em temperaturas mais baixas [20].

Com a revolução tecnológica provocada com o advento dos circuitos integrados (CI) baseados em dispositivos de camadas de óxidos cerâmicos sobre Si, tem-se buscado, cada vez mais, novos materiais com melhores propriedades elétricas. Como consequência dessa nova tecnologia baseada no semicondutor de Si, tem sido possível diminuir os dispositivos sem perda da capacidade elétrica. A necessidade de miniaturização desses dispositivos tem levado ao estudo de filmes cerâmicos de materiais ferroelétricos capazes de manter as propriedades elétricas requeridas em áreas microscópicas. Combinar um material ferroelétrico com a tecnologia de circuito integrado é um desafio e muitos problemas têm sido e ainda serão encontrados [21].

Dentre as várias técnicas utilizadas para a obtenção de filmes finos, o método químico, baseado no processo desenvolvido por Pechini [9] tem sido utilizado com sucesso no LIEC.

A Fig. 6 apresenta as imagens obtidas por MFA dos filmes de SBN tratados termicamente a diversas temperaturas.

Pode-se verificar o início da cristalização (a 500^oC) bem como o crescimento dos grãos conforme aumenta-se a temperatura de tratamento térmico.

A Fig. 7 apresenta as micrografias obtidas por MEV para o filme tratado a 700 ^oC. Pode-se observar uma estrutura homogênea, sem trincas, com grãos bem definidos. Nas Figs. 8 e 9 estão apresentados os resultados das medidas elétricas, capacitância em função da voltagem aplicada e a histerese po polarização. Os resultados estão em conformidade com os apresentados na literatura.

CONCLUSÃO

Neste trabalho mostrou-se, de uma forma resumida, as pesquisa em cerâmica eletrônica (filmes finos) à base de titanato de estrôncio, de bário e de bário-estrôncio, bem como tantalato de estrôncio e bismuto e niobato de estrôncio e bismuto que estão sendo desenvolvidas no LIEC-DQ.

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(Publicação financiada pela FAPESP)

Datas de Publicação