Структура и свойства композиций (PZT)-LNO-SiO2-Si, пористых пленок PZT и композитов на их основе для применения в микроэлектронике

Методами ПЭМ, РЭМ, электронной дифракции, энергодисперсионного анализа, ФИП-РЭМ нанотомографии изучены закономерности формирования слоев LNO и PZT-LNO на подложках SiO2-Si, пористых пленок PZT, сформированных методом CSD при добавлении порогенов PVP и Brij с разной молекулярной массой (711 для Brij 76 и 362 для Brij 30), а также композитов PZT/Ti-O, полученных заполнением пористых пленок методом ALD. Показано, что этап высокотемпературной сушки в пленках LNO-SiO2-Si приводит к сильному химическому и фазовому расслоению из-за взаимодействия пленок с окружающей средой. Использование только низкотемпературной сушки (Т=200℃) позволяет избежать расслоения. Установлено, что время отжига каждого слоя имеет ключевое значение в формировании столбчатой структуры зерен. Показано, что столбчатые зерна LNO могут быть получены с использованием следующей термической обработки: низкотемпературная сушка (Т=200℃) каждого слоя в течение четырех минут; отжиг каждого слоя при Т=650℃ в течение 10 минут; дополнительный гомогенизирующий отжиг после нанесения всех слоев в течение 30 минут. Впервые показано, что механизм кристаллизации LNO на подложках Si-SiO2 имеет гомогенный характер зарождения зерен фазы LaNiO3 (пр.гр. Pm3 ̅m) с последующей стадией рекристаллизации. Преобладание гомогенной нуклеации даже в многослойном процессе связано с обнаруженными в работе флуктуациями химического состава пленок на поверхности слоев из-за взаимодействия LNO с атмосферой. Показано, что размер зерен в пористых пленках PZT значительно (от 4 до 20 раз в зависимости от порогена) превышает размер зерен в плотных пленках PZT. Формирование такой структуры и извилистых границ зерен связано с воздействием пор и углеродных остатков на нуклеацию и рост зерен. Исследована возможность применения метода ФИП-РЭМ нанотомографии для 3D характеризации таких сложных объектов, как пористые сегнетоэлектрические пленки с размером пор от 20 нм. Установлено, что оптимальными параметрами ионного пучка являются U=22кВ, I≈6,6пА. Данные параметры резания объекта исключают артефакты (перепыление, неравномерное травление). Скопления пор на границах зерен следует визуализировать при напряжении U=30кВ. Проведена оценка общей пористости, реального размера пор, их распределения и связности пористых пленок методом ФИП-РЭМ нанотомографии. Пленки с добавлением 6,6 мас. % PVP имеют пористость 48%, размер пор: 44–110 нм и удельную площадь поверхности 0,01321 нм2/нм3. Для Brij 76 общая пористость составляет 23,3%, размер пор – 21–33 нм, а и удельная площадь поверхности 0,03747. Степень связности для Brij 76 составляет 0,75. Увеличение размера пор в пленках с добавлением Brij и их закономерное распределение связано с многослойным нанесением и движением фронта кристаллизации. Данные пленки подходят для заполнения методом ALD. Показано, что при создании композитов PZT+PVP(6,6 мас. %)/TiO2 и PZT+Brij 76(30 мас. %)/ TiO2 путем заполнения пор оксидом титана методом ALD наблюдается равномерное заполнение всех пор в пленках с образованием слоев толщиной 10-20 нм (пороген PVP), 5-7 нм (пороген Brij 76) на стенках пор и 17-75 нм на поверхности пленок. Однородное заполнение обусловлено высокой связностью пор, обнаруженной методом трехмерной ФИП-РЭМ нанотомографии. Данные композиты обладают фотовольтаическими свойствами, величина которого зависит от количества TiO2.