Synthesis and electrical characterization of bismuth ferrite thin films

Abstract

Saf ve farklı oranlarda Gd katkılı BiFeO3 sentezi metalorganik bir metot ile gerçekleştirilmiştir. Yarı-epitaksiyel (kolonsal) BiFeO3 filmler SrTiO3 altlıklar üzerinde büyütülmüştür. %5 ve %10 Gd katkılı BiFeO3 tabakasına sahip Nb:SrTiO3-BiFeO3-Pt yapısının iletim özellikleri akım-voltaj ölçümleri ile farklı sıcaklıklarda belirlenmiştir. Numunelerin Pt üzerinde negative voltajda ve pozitif voltajdaki akım davranışından bir diyot gibi davrandıkları ortaya konmuştur. Eşik enerjisi negative voltajda arayüzeydeki yük girişi Schottky benzeri termoiyonik emisyon ile belirlenen ve takip eden sürüklenme davranışı da iç kısımlar tarafından control edilen bir mekanizma düşünülerek bulunmuştur. Arayüzeydeki eşik enerjisinin Gd katkısına bağlı olduğu tespit edilmiştir ve katkısız filmler için bu değer 0.32 eV, 5% katkı için 0.45 eV ve 10% katkı için de 0.60 eV olarak hesaplanmıştır. Gözlemlenen davranış Bi boşluklarına bağlı meydana gelen p-tipi iletkenliğin Gd katkısı ile kompanse edilmesi şeklinde açıklanmıştır. Katkı miktarı arttıkça Fermi seviyesi de yukarı doğru çıkmakta ve electron boşlukları için eşik enerjisini yükseltmektedir.

Pure single phase BiFeO3 and Gd doped BiFeO3 with different Gd doping levels were synthesized through a metalorganic route. Quasi-epitaxial (columnar) BiFeO3 films were fabricated on the top of SrTiO3 substrates with preferred orientation. The rectifying properties of Nb:SrTiO3-BiFeO3-Pt structures, in which the BiFeO3 layer was doped with Gd (0 %; 5 %; and 10 %), were investigated by measuring current-voltage characteristic at different temperatures. It was found that the structures show a diode-like behavior with reverse bias for negative polarity and forward bias for positive polarity applied on the top Pt contact. The potential barrier was estimated for negative polarity assuming a Shottky-like thermionic emission with injection controlled by the interface and the drift controlled by the bulk. It was found that the height of the potential barrier is dependent on the Gd doping, being 0.32 eV for zero doping, 0.45 eV for 5 % doping and 0.60 eV for 10 % doping. The result is explained by the partial compensation of the p-type conduction induced by Bi volatility with Gd doping. The Fermi level moves upward as the doping concentration increases leading to a higher potential barrier for holes.