Katkılı ve katkısız antiferroelektrik kurşun zirkonat ince film sığaçların elektriksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Antiferroelektrikler elektrik alan etkisiyle gerçekleşen antiferroelektrik-ferroelektrik faz geçişine bağlı olarak elektrik alanla tetiklenmiş büyük bir zorlanma sergilerler. Bu özellikleri nedeniyle mikroelektromekaniksel sistemlerde eyleyici olarak kullanım alanı bulurlar. Yüksek dielektrik katsayıları ve bünyelerinde depolanan enerjiyi ferroelektrik-antiferroelektrik faz geçişi sırasında sabit bir gerilimde aniden boşaltabilmeleri nedeniyle yüksek enerji yoğunluğuna sahip sığaç uygulamalarında da kullanılabilirler.Bu tez çalışmasında katkısız ve katkılı antiferroelektrik kurşun zirkonat (PbZrO3 - PZ) ince filmlerde yapı-özellik ilişkileri sığaç uygulamalarına dönük olarak incelenmiş ve özellikle elektriksel özellikler üzerinde durulmuştur. PZ ince filmler platin kaplı silisyum altlıklar üzerinde sol-jel yöntemiyle elde edilmiştir. Sol-jel sürecinde öncü çözeltiler kaynak malzemelerden hazırlanmıştır. Üretim sürecinde incelenen temel parametreler öncü çözeltinin bileşimi, derişimi, ısıl işlem rejimi ve koşulları ve katkı elementleridir (titanyum ve seryum). Filmlerin yapısal özellikleri XRD, SEM, EDS, AFM, SIMS ve XPS ile incelenmiştir. Kurşun zirkonat ince filmlerin elektriksel özellikleri ve sızıntı akım karakteristikleri C-V, C-f, C-T, I-V ve P-V ölçümleriyle detaylı olarak analiz edilmiştir.Anahtar Kelimeler: İnce Film, Sol-jel, Antiferroelektrikler, Kurşun Zirkonat, Kristalografik Yönlenme, Kutuplanma, Sızıntı Akım, Dielektrik Sabiti, Katkılama.

Antiferroelectrics exhibit a large electric field induced strain due to field forced antiferroelectric-to-ferroelectric phase transition that makes them attractive for actuator applications in microelectromechanical systems. They also find use in high energy density capacitors due to their high dielectric constant and their ability to instantaneously release the stored energy at a constant voltage during the ferroelectric-to-antiferroelectric phase transition.In this dissertation study, the structure-property relationship in un-doped and doped antiferroelectric lead zirconate (PbZrO3 - PZ) thin films were investigated for capacitor applications, giving a special emphasis on the electrical properties. The PZ thin films were obtained by sol-gel method on platinum coated silicon substrates. The precursor solutions for the sol-gel process were prepared from the source materials. Precursor solution composition, annealing regime and conditions, and doping elements (titanium and cerium) were the main process parameters that were investigated. The structural characterization of the films were carried out by XRD, SEM, EDS, AFM, SIMS and XPS. Electrical properties of the lead zirconate thin films were investigated and the leakage current behavior was analyzed in detail through C-V, C-f, C-T, I-V and P-V measurements.Keywords: Thin Film, Sol-gel, Antiferroelectrics, Lead Zirconate, Crystallographic Orientation, Polarization, Leakage Current, Dielectric Constant, Doping.