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Cerâmica

Print version ISSN 0366-6913

Cerâmica vol.45 n.294 São Paulo July 1999

http://dx.doi.org/10.1590/S0366-69131999000400003 

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.

 

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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.

 

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Filmes finos de BaxSr1-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.

 

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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.

 

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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+ (Am-1BmO3m+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, SrBi4Ti4O15, 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 800-850oC. 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.

 

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Pode-se verificar o início da cristalização (a 500oC) 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.

 

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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.

 

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Y. Yoneda, T. Okabe, K. Sakaue, H. Terauchi, H. Kasatani and K. Deguchi, J. Applied Phys. 83 (1998) 2458.

[2] XD. Zhu, HB. Lu, GZ. Yang, ZY. Li, BY. Gu and DZ. Zhang, Phys. Rev. B 57 (1998) 2514 .

[3] R. Kalyanaraman, RD. Vispute, S. Oktyabrsky, K. Dovidenko, K. Jagannadham, J. Narayan, JD. Budai, N. Parikh and A. Suvkhanov, Appl. Phys. Letters, 72 (1998) 1709 .

[4]  H. Nishikawa, M. Kanai and T. Kawai, J. Crystal Growth 179 (1998) 467 .

[5] M. Nakano, H. Tabata, Y. Katayama and T. Kawai, J. J. Applied Phys. 36 (1998) 3564.

[6] S. M. Zanetti, E. Longo, J. A. Varela and E. R. Leite, Mater. Letters 31 (1997) 173.

[7] E. R. Leite, C. A. Paskocimas, E. Longo and J. A. Varela, Ceram. Intern. 21 (1995) 143.

[8] E. R. Leite, C. A. Paskocimas, E. Longo and J. A. Varela, Ceram. Intern. 21 (1995) 153.

[9] M. P. Pechini, U.S. Patent., No. 3.330697 (1967).

[10] S. Yoon, J. Lee and A. Safari, J. Appl. Phys. 76, 5 (1994) 2999.

[11] D. M. Tahan, A. Safari and L. C. Klein, J. Am. Ceram. Soc., 79, 6 (1996) 1593.

[12] C. Basceri, S. K. Streiffer and A. I. Kingon, J. Appl. Phys. 82, 5 (1997) 2497.

[13] P. C. Joshi and S. B. Krupanidhi, J. Apply. Phys. 72, 12 (1992) 5817.

[14] M. Sayer, A. Mnsingh, A. K. Arora and A. Lo, Integrated Ferroeletrics 1 (1992) 129.

[15] M. A. Rodriguez, T. J. Boyle, B. A. Hernandez, C. D. Buchheit, M. O. Eatough, J. Mater. Res. 11, 9 (1996) 2282.

[16] T. Mihara, H. Yoshimori, H. Watanabe, C. A. P. Araujo, Jpn. J. Appl. Phys. 34 (1995) 5233.

[17] O. Auciello, R. Ramesh; MRS Bull. 21, 6 (1996) 31.

[18] M. Klee, R.Eusemann, R.Waser, W.Brand, and H.Van Hal, J. Appl. Phys.72, 4 (1992) 1566.

[19] S. Dana, K. F. Etzold, and J.Clabes; J. Appl. Phys. 69, 8 (1991) 4398.

[20] V. E. Wood, J. R. Busch, S. D. Ramamurthi, S. L.Swartz; J. Appl.Phys. 71, 9 (1992) 4557.

[21] M. Keijser, G. J. M. Dormans; MRS Bull. 21, 6 (1996) 37.

 

 

(Publicação financiada pela FAPESP)