Μελέτη τοπικών πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών φιλμ Na0.5Bi0.5TiO3 με περίθλαση ακτίνων Χ

Abstract

Το λαμπρότερο σύγχροτρο ακτίνων Χ αυτή τη στιγμή στον κόσμο θεωρείται το ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), με παραγόμενη δέσμη της τάξης των 10^20 φωτόνια/sec/mrad^2/mm^2/0.1% bandwidth με την ασύλληπτη ικανότητα να διεισδύει σε βάθος στην ύλη καινα αποκαλύπτει τα μυστικά της σε επίπεδο δεκάτου του νανομέτρου ή ισοδύναμα 1 άνγκστρομ. Με τη χρήση μιας τέτοιας δέσμης και βασιζόμενοι σε διαφορετικά φαινόμενα οπτικής-ηλεκτρομαγνητικής φύσεως, μπορούμε πλέον να δούμε τι συμβαίνει στον μικρόκοσμο. Με την περίθλαση Bragg και άλλες τεχνικές μπορούμε πληροφορίες για τη δομή ή τη σύσταση ενός υλικού, ακόμα και να παρακολουθήσουμε ζωντανάτις βιολογικές εργασίες που λαμβάνουν χώρα σε ένα δείγμα πρωτεϊνών. Μέσα από την ανάγκη εύρεσης νέων σιδηροηλεκτρικών και πιεζοηλεκτρικών υλικών που χρησιμοποιούνται στων χώρο των Η/Υ και αλλού,θα μελετήσουμε ένα ιδιαίτερα δυνατό υποψήφιο, ικανό να αντικαταστήσει τα σημερινά υλικά που περιέχουν σημαντικές ποσότητες μολύβδου, πράγμα που τα καθιστά επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία. Σε αυτή την εργασία θα δούμε πως η ακτινοβολία συγχρότρου μπορεί να συνδυαστεί με την τεχνολογία ενός μικροσκοπίου ακίδας ώστε να επιτευχθούν όσο γίνεται περισσότερο τοπικές μετρήσεις της ηλεκτρικής πόλωσης και του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου σε ένα τέτοιο σιδηροηλεκτρικό υλικό, με άλλα λόγια να μετρηθούν φυσικά μεγέθη όπως η παραμένουσα πόλωση, το συνακτικό πεδίο και τα ρεύματα διαρροής, καθώς και η αλλαγή διαστάσεων της μοναδιαίας κυψελίδας στη διεύθυνση του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η οποία εκφράζεται από την πιεζοηλεκτρική σταθερά d33.

Sodium bismuth titanate (NBT) is a promising candidate among ferroelectric and piezoelectric materials, to replace the now widely used PZT and other leadbased compounds in applications such as piezoelectric actuators, sensors, transducers and even Ferroelectric-RAMs. Because of environmental issues, lead content must be reduced in such applications and NBT appears to be a suitable replacement material while it has interesting ferroelectric (Pr=38mC/cm2, Ec=73kV/cm) and piezoelectric properties (d33=79pC/N). In this report, we focus on two things. First, we study the piezoelectric properties of NBT thin films and more specifically, we analyse the technique we used for measuring the d33 piezoelectric coefficient. Second, we make an effort to correlate the different PFM experimental values of the d33 coefficient that we get on grains with different crystallographic orientation. Meaning that from previous Piezorespose Force Microscopy studies on 0.95Na0:5Bi0:5TiO3- 0.05BaTiO3 compounds, it is found that piezoelectric effect is not the same on crystallites with different orientation - for example, the d33 coefficient for the (100) oriented crystallites was found 280pC/N, for the (110) 160pC/N and for the (111) 90pC/N. So, we tried to observe the reverse piezoelectric effect in a size of a few nanometers, in order to see any difference in the behaviour of a single grain. We applied an external electric field with the use of an alternating voltage source, by creating a contact between an AFM tip and a platinum electrode deposited on top of our sample. As the electric field caused the sample to expand or contract, we illuminated the sample with hard X-rays (E=8.9kV) and saw how the Bragg peak moves, while the lattice parameter changes with time. Then, from the Bragg relation we could calculate the lattice parameter and as a result, measure the strain. The whole idea of the local measurements is based on the fact that the tip of the AFM has a typical radius of 1-4mm and the size of the X-ray beam is equal to 300nmx200nm, comparable the grain size. The result of our study is a unique measurement of a distribution of properties in a non-homogeneous ferroelectric thin film. The different response of the grains can be attributed to a different local environment. As a future perspective, an accurate analysis of the intrinsic strain state of single grains should be performed to correlate it with the piezoresponse.