Wachstum und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von epitaktischen antiferroelektrisch/ferroelektrischen oxidischen Multilagen

Abstract

Epitaktische ferroelektrisch/antiferroelektrische (FE/AFE) PbZr0.8Ti0.2O3/ PbZrO3 (PZT/PZO) Multilagen (MLs) mit verschiedenen Einzellagendicken, hergestellt mit der gepulsten Laser-Deposition, wurden umfassend untersucht. Die makroskopische P-V-, I-V- und C-V-Messungen der MLs mit Einzellagendicken oberhalb von 10 nm zeigen ein gemischtes AFE-FE Verhalten, und die der Multilagen mit Einzellagendicken unterhalb von 10 nm zeigen dagegen nur FE Verhalten. Offensichtlich beobachtet man einen strukturellen Phasenübergang von orthorhombisch zu rhomboedrisch in den PZO-Lagen bei einer Einzellagendicke unterhalb von 10 nm, was sich in den Eigenschaften widerspiegelt. Der Phasenübergang von orthorhombisch zu rhomboedrisch wurde auch durch strukturelle Untersuchungen nachgewiesen, sowohl durch XRD (inkl. RSM-Messungen) als auch durch HRTEM. Die Ursachen des Phasenüberganges in den PZO-Lagen werden diskutiert. Außerdem werden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von dünnen epitaktischen PZO- und PZT-Schichten ausreichend untersucht. Hier werden u.a. die Gründe der Entstehung unterschiedlicher Orientierungen und das Phänomen des zusätzlichen Auftretens FE Eigenschaften im AFE PZO diskutiert.

Epitaxial ferroelectric/antiferroelectric (FE/AFE) PbZr0.8Ti0.2O3/PbZrO3 (PZT/PZO) multilayers (MLs), grown by pulsed laser deposition (PLD), of different thickness were studied. Hysteresis, switching current-voltage and capacitance-voltage curves of the MLs with an individual layer thickness above 10 nm show a mixed AFE-FE behavior, whereas below 10 nm the MLs show only FE behavior. Obviously, the PZO layers thinner than 10 nm underwent a transition into the FE state with a corresponding symmetry change from orthorhombic to rhombohedral. XRD and RSM showed a corresponding orthorhombic-to-rhombohedral transition of the PZO layers. HRTEM images were taken in order to investigate the microstructure of the PZO/PZT MLs. The observations are discussed in terms of a strain effect. Moreover, the structure-properties relations of PZO and PZT single films were explored in details. The temperature behavior of PZO films with different orientations was studied. The results indicate a coexistence of FE and AFE properties in PZO films, particularly at low temperature.