Pengaruh orientasi pada pengalihan polarisasi dan kelelahan film tipis Bi3.15Nd0.85Ti2.99Mn0.01O12 pada suhu rendah dan tinggi

Hasil dan Diskusi

Pola XRD dari film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 ditunjukkan pada Gambar. 1. Untuk mengukur keadaan tekstur, derajat orientasi didefinisikan sebagai α _hkl =Aku _(hkl) /(Aku ₍₀₀₆₎ + Aku ₍₁₁₇₎ + Aku ₍₂₀₀₎ ), di mana saya _(hkl) adalah intensitas puncak XRD bidang kristal (hkl). Derajat α ₂₀₀ dan α ₁₁₇ film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 ditemukan masing-masing sebesar 63,50% dan 29,23%, 43,22% dan 48,5%, dan 32,11% dan 60,2%. Pertumbuhan berorientasi (200) dari BNTM-1 dan pertumbuhan berorientasi (117) dari BNTM-3 diamati, sedangkan pertumbuhan dengan preferensi campuran disajikan pada BNTM-2. Permukaan dan penampang film tipis tersebut diamati melalui metode SEM seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a-g. Permukaan film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 terutama terdiri dari butiran berbentuk peluru, campuran butiran seperti pelat, dan butiran seperti batang melalui pengamatan pada Gambar. 2a-c, masing-masing , yang juga dilaporkan dalam karya orang lain [16]. Ketebalan film BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 diperkirakan 470 nm, 454 nm, dan 459 nm melalui gambar penampang SEM (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d-g), masing-masing. Seperti disebutkan di atas, kristalisasi lapis demi lapis diadopsi dalam pembuatan film tipis BNTM. Pertumbuhan kristal berorientasi (117) disukai oleh lapisan spin-coating yang lebih tebal, sedangkan pertumbuhan kristal berorientasi (200) tidak dibatasi oleh ketebalan lapisan karena efek geometris seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b dan c. Ketebalan setiap lapisan spin-coating film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 diperkirakan masing-masing 47 nm, 91 nm, dan 115 nm, yang mendukung (200) berorientasi, campuran berorientasi, dan film tipis BNTM berorientasi (117). Hasil ini juga telah dilaporkan oleh Hu dan Wu [5, 17].

Pola XRD film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 (a ) dan diagram skematik (200)-pertumbuhan butir (b ) dan (117)-pertumbuhan butir film tipis (c )

Gambar permukaan dan penampang SEM:a , d BNTM-1; b , e untuk BNTM-2; c , f untuk BNTM-3

P-V loop histeresis film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 dari 200 hingga 400 K diukur dengan tegangan maksimum (V _m ) dari 16 V diperlihatkan pada Gambar 3a-c. Polarisasi remanen 2P _r dan tegangan paksa 2V _c film semacam itu sangat bergantung pada T seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d–f, di mana tegangan koersif rata-rata V _c (V _c =(V _c ⁺ -V _c ^- )/2) dan 2P _r sebagai fungsi dari T di bawah V different yang berbeda _m . Dapat disimpulkan bahwa 2P _r BNTM-1 pertama meningkat sebagai V _m kurang dari 10 V, dan berkurang saat V _m lebih dari 10 V dengan peningkatan T , sementara 2P _r BNTM-2 dan BNTM-3 selalu pertama kali meningkat dari 220 ke 300 K dan kemudian menurun dari 300 ke 400 K di bawah seluruh rentang V _m . Hal ini dapat dijelaskan oleh medan depolarisasi yang lebih besar pada antarmuka film/elektroda BNTM-2 dan BNTM-3 yang disebabkan oleh densitas dinding domain yang lebih tinggi, sedangkan jumlah pada antarmuka yang lebih rendah untuk BNTM-1. Nilai V _c penurunan BNTM-1 dengan meningkatnya T sebagai nilai V _m meningkat dari 6 menjadi 16 V, sedangkan nilai BNTM-2 dan BNTM-3 pertama-tama meningkat dan kemudian menurun dengan meningkatnya T di bawah nilai V _m dari 8 ke 10 V. Seharusnya dipicu oleh persaingan tingkat nukleasi domain dan pinning-unpin domain dengan meningkatnya T , di mana tingkat nukleasi domain (n ) dan medan listrik aktivasi (α ) dapat dinyatakan sebagain exp(−α /E ). Jadi, n memainkan peran yang menentukan untuk menentukan nilai V _c rendah T dan kecil V _m , dan peningkatan V _c akan meningkat dengan tingkat nukleasi domain yang lebih tinggi. Kecepatan dinding domain sangat menentukan kemungkinan pin dinding domain setelah mencapai titik jenuh laju nukleasi domain pada V tinggi _m dan T . Kecepatan dinding domain (v ) dan penghalang energi untuk pertumbuhan domain (U ₀ ) dapat dinyatakan sebagai ν exp(−U ₀ /k _B T ), di mana k _B berarti konstanta Boltzmann [18]. Dengan meningkatnya T , efek pelepasan pin domain telah sangat ditingkatkan dengan meningkatnya v . Jadi fakta bahwa V _c menurun dengan meningkatnya T pada nilai saturasi V _m bisa jadi karena v . yang lebih tinggi .

P -V loop histeresis diukur dengan V _m 16 V pada 1 kHz dan plot V _c dan 2P _r sebagai fungsi dari V _m pada suhu tinggi:a , d untuk BNTM-1; b , e untuk BNTM-2; c , f untuk BNTM-3

Karakteristik kelelahan BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 dari 300 hingga 400 K ditampilkan pada Gambar 4a-c. Amplitudo pulsa adalah 10 V dan 8 V untuk proses membaca dan kelelahan. Hubungan \( \pm {dP}_N={\left(\pm {P}_r^{\ast}\right)}_N-{\left(\pm {P}_r^{\wedge}\right )}_N \) dapat dijelaskan bahwa N adalah jumlah siklus switching,P _T adalah polarisasi total, \( {P}_r^{\ast } \) adalah polarisasi remanen terswitch antara dua pulsa polaritas yang berlawanan, dan \( {P}_r^{\wedge } \) adalah polarisasi remanen non-switch polarisasi antara dua pulsa polaritas yang sama. Setelah 1 × 10 ⁹ siklus switching pulsa, pengurangan dP _T dari BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 adalah 0%, 32,5%, dan 41,2% pada 300 K, 7,4%, 51,4%, dan 31,2% pada 350 K, dan 11,3%, 34,5%, dan 15,7% pada 400 K, masing-masing. Karakteristik kelelahan BNTM-1 menjadi lebih serius dan BNTM-3 menunjukkan tren terbalik dari 300 menjadi 400 K, sedangkan karakteristik kelelahan BNTM-2 menjadi lebih serius dari 300 menjadi 350 K, dan ditingkatkan dari 350 menjadi 400 K. Awalnya, peningkatan sifat lelah BNTM-3 dari 300 menjadi 400 K seharusnya disebabkan oleh efek yang ditingkatkan dari pelepasan pin dinding domain [11, 18,19,20]. Dapat dikonsumsi bahwa kompetisi antara pinning domain dan pertumbuhan lapisan mati selalu merupakan efek yang jelas pada kelelahan polarisasi [21, 22]. Adapun BNTM-1, pertumbuhan lapisan mati adalah faktor dominan, dan difusi jarak jauh dari kekosongan oksigen menjadi meningkat dengan meningkatnya T dan berkontribusi pada peningkatan ketebalan lapisan mati, yang juga dapat disertifikasi oleh penurunan respons dielektrik setelah proses kelelahan dari Gambar 4d. Adapun BNTM-2, efek pertumbuhan lapisan mati pertama memainkan peran utama dengan T dari 300 hingga 350 K selama uji fatik, dan kemudian efek pelepasan pin domain yang ditingkatkan mengarah pada peningkatan sifat kelelahan dari 350 menjadi 400 K. Hal ini juga dibahas dalam beberapa karya lain [22, 23].

Plot kurva kelelahan polarisasi dan konstanta dielektrik (ε _r ) vs frekuensi pada kondisi segar dan lelah:a , d untuk BNTM-1; b , e untuk BNTM-2; c , f untuk BNTM-3

Plot konstanta dielektrik (ε _r ) vs frekuensi sebelum dan sesudah proses kelelahan dilakukan lebih lanjut untuk menyelidiki efek pertumbuhan lapisan mati seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d-f. Nilai ε _r film tipis seperti itu meningkat dengan meningkatnya T , yang menunjukkan bahwa efek pelepasan pin domain menjadi lebih kuat dengan meningkatnya T. Perubahan nilai ε _r BNTM-1 dan BNTM-3 setelah proses kelelahan meningkat dengan meningkatnya T . Hal ini dapat dijelaskan oleh efek gabungan dari difusi jarak jauh dari pembawa lepasan dan pertumbuhan lapisan mati pada T yang tinggi. . Adapun BNTM-1 dan BNTM-3, ketebalan lapisan mati meningkat dengan meningkatnya T dan menjadi pengaruh utama pada nilai ε _r , yang mengarah pada pengurangan ε _r BNTM-1 dan BNTM-3. Namun, perubahan ε _r BNTM-2 menunjukkan korelasi yang lemah, yang menjelaskan bahwa sejumlah besar dinding domain bermuatan yang dibentuk oleh migrasi kekosongan oksigen selama proses kelelahan telah mengambil bagian dalam respons dielektrik, yang menyebabkan peningkatan ε _r untuk BNTM-2.

Uji spektra impedansi AC digunakan untuk mempelajari mekanisme konduktansi sebelum dan sesudah proses fatik dengan rentang suhu dari 300 hingga 475 K. Gambar 5a–c menunjukkan impedansi nyata dan imajiner (Z´ dan Z" ) saat frekuensi menurun dari 1 MHz ke 1 kHz. Kontribusi butir dapat dicerminkan oleh busur frekuensi tinggi. Pemasangan kuadrat terkecil nonlinier dilakukan untuk memperkirakan resistensi butir (R _g ) dari film BNTM, yang juga dilaporkan oleh Bai et al. [24]. R _g mengikuti hubungan Arrhenius sebagaiR _g exp(−E _a /k _B T ), di mana E _a mewakili energi aktivasi rata-rata pembawa selama proses konduktansi dan k _B berarti konstanta Boltzmann [25]. Kurva ln(R _g ) vs 1000/T ditunjukkan pada Gambar. 5d-f. Telah ditemukan bahwa nilai R _g meningkat sedikit setelah 1,6 × 10 ⁹ siklus pulsa, yang dapat dijelaskan bahwa populasi pembawa meningkat dengan meningkatnya T dan bagian dari kekosongan oksigen atau elektron yang disuntikkan terperangkap oleh dinding domain bermuatan selama proses kelelahan [26, 27]. Nilai E _a untuk BNTM-1 adalah 0,12-0,13 eV dari 425 menjadi 475 K dan jauh lebih kecil dari nilai BNTM-2 dan BNTM-3. Nilai besar E _a (0,12-0,31 eV) umumnya dianggap sebagai kontribusi migrasi kekosongan oksigen dalam cluster mereka [25]. Dapat diperkirakan bahwa difusi kekosongan oksigen jarak jauh terjadi lebih mudah dalam film tipis BNTM-1, yang selanjutnya diperhitungkan bahwa densitas dinding domain film tipis berorientasi (200) kurang dari (117)- film tipis berorientasi campuran dan berorientasi campuran. Skema domain dan dinding domain dari film tipis BNTM berorientasi (200) dan (117) dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a-b. Terlihat bahwa lapisan tipis berorientasi (200) terutama terdiri dari domain 180° dan lebar dinding domain jauh lebih kecil dibandingkan domain berorientasi (117) yang memiliki komponen polarisasi horizontal yang kuat. Konfigurasi polarisasi tail-to-tail atau head-to-head yang dapat menginduksi efek pinning untuk dinding domain dapat terjadi lebih mudah dengan domain berorientasi (117). Jadi pertanyaan mengapa film tipis BNTM berorientasi (200) menunjukkan perilaku kelelahan yang berlawanan dengan peningkatan T dibandingkan dengan film tipis BNTM yang berorientasi (117) dapat dijelaskan. Untuk BNTM-1 yang sebagian besar terdiri dari domain berorientasi (200), difusi kekosongan oksigen harus menjadi peran yang ditentukan untuk perilaku kelelahan dengan meningkatnya T . Dan untuk BNTM-3 dengan mayoritas domain berorientasi (117), dinding domain dengan lebar lebih besar yang bergantung pada suhu harus menjadi penyebab utama. Difusi yang intens dari kekosongan oksigen dengan meningkatnya T dapat memfasilitasi pertumbuhan lapisan mati yang membuat kelelahan serius, sedangkan lebar dinding domain bisa lebih kecil dengan meningkatnya T. Dengan demikian sifat kelelahan yang ditingkatkan dapat dicapai.

Diagram impedansi pada suhu tinggi dan Ln(R _g ) vs 1000/T Plot Arrhenius pada kondisi segar dan lelah:a , d untuk BNTM-1; b , e untuk BNTM-2; c , f untuk BNTM-3

a , b Struktur domain skematis di a –b bidang film tipis BNTM berorientasi (200) dan (117) (orientasi domain dapat melacak panah)

Untuk memverifikasi kebenaran model yang disebutkan di atas, struktur domain mikroskopis film tipis BNTM-1, BNTM-2, dan BNTM-3 dipelajari melalui metode PFM. Topografi permukaan AFM, gambar amplitudo PFM OP (out-plane), gambar fase OP PFM, gambar amplitudo PFM IP (dalam-pesawat), gambar fase IP PFM, dan gambar PFM yang diperbesar dari wilayah tertentu di kotak merah solid film tersebut ditunjukkan pada Gambar. 7a-o. Wilayah dengan warna kuning cerah dan gelap dalam gambar fase OP sesuai dengan domain 180 ° vertikal atas atau bawah, sedangkan wilayah dengan warna kuning dan gelap yang kaya dalam gambar IP sesuai dengan domain 90 ° kiri atau kanan lateral. Dapat dilihat bahwa fase-fase domain 90° kanan atau kiri lateral lebih jelas untuk BNTM-2 dan BNTM-3 daripada BNTM-1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7p–r, yang telah menjelaskan lebih lanjut bahwa (117) domain berorientasi memiliki komponen polarisasi horizontal yang kuat. Gambar IP PFM dari wilayah spesifik yang diperbesar dengan kotak merah solid ditunjukkan pada Gambar. 7p-r. Garis putus-putus cyan sesuai dengan batas-batas vertikal atas dan bawah 180 °-domain dalam gambar fase OP seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7p–r, sedangkan garis putus-putus biru sesuai dengan batas-batas lateral kiri dan kanan 90 °-domain di IP gambar-gambar. Ketika garis putus-putus cyan hanya terletak di batas wilayah gelap dan terang dalam gambar fase IP yang ditandai dengan garis putus-putus biru, konfigurasi polarisasi dengan struktur ekor-ke-ekor atau kepala-ke-kepala yang ditandai dengan garis putus-putus merah pada Gambar. 7p-r akan terbentuk dan menyebabkan akumulasi muatan berlawanan untuk dinding domain. Dapat disimpulkan bahwa konfigurasi polarisasi tail-to-tail atau head-to-head non-netral dapat terjadi dengan probabilitas yang lebih besar untuk film tipis BNTM-2 dan BNTM-3 dibandingkan dengan film tipis BNTM-1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar .7p–r. Oleh karena itu, kerapatan dinding domain yang disematkan dan lebar dinding domain telah menentukan perilaku kelelahan yang bergantung pada suhu untuk film tipis berorientasi (117). Dengan demikian, dinding domain dengan kecepatan lebih tinggi dan kemungkinan yang lebih kecil untuk menangkap kekosongan oksigen dapat mewujudkan peningkatan kelelahan pada suhu tinggi dibandingkan dengan pada suhu yang lebih rendah [28].

Topografi permukaan AFM, gambar amplitudo OP PFM, gambar fase OP PFM, gambar amplitudo IP PFM, gambar fase IP PFM, dan gambar PFM yang diperbesar dari wilayah tertentu dalam kotak padat merah:a –e, p untuk BNTM-1, f –j, q untuk BNTM-2, k –o , r untuk BNTM-3, dan area pemindaian adalah 2 × 2 μm ²