Browsing by Author "Harjuoja, Jenni"

Now showing 1 - 2 of 2
  • No Thumbnail Available
    Item
    Atomic layer deposition and characterization of BiFeO3 thin films
    (2007) Ollikainen, Antti Eino; Harjuoja, Jenni; Putkonen, Matti; Kemian tekniikan osasto; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Karppinen, Maarit
    Vismuttirautaoksidiperovskiitti BiFeO3 on ferrosähköinen, antiferromagneettinen ja ferroelastinen materiaali. Tällaista materiaalia kutsutaan multiferromateriaaliksi, jos sen ferro-ominaisuudet ovat toisiinsa kytkeytyneitä, eli yhden ominaisuuden muutos vaikuttaa samanaikaisesti muihin ominaisuuksiin. BiFeO3-kiteenmagneettisuuden muuttaminen ulkoisella magneettikentällä aiheuttaa kiteessä myös sähköisen polarisaation ja rakennemuutoksen. Nämä ominaisuudet tekevät BiFeO3:sta lupaavan materiaalin tulevaisuuden spintroniikan sovelluksiin. Sovelluksia varten BiFeO3 halutaan usein ohutkalvomuodossa. BiFeO3-ohutkalvoja on aikaisemmin kasvatettu useilla kemiallisilla ja fysikaalisilla menetelmillä, mutta ei nk. atomikerroskasvatusmenetelmällä (ALD). Diplomityön kirjallisuusosassa on tarkasteltu kasvatuslämpötilan ja substraatin sekä mahdollisen jälkilämpökäsittelyn vaikutusta BiFeO3-kalvojen kiteytymiseen ja koostumukseen. Lisäksi kalvojen multiferro-ominaisuuksia on vertailtu keskenään. Mahdollisia vismutti- ja rautalähdeaineita, joita on aikaisemmin kokeiltu ALD ja CVD(kemiallinen kaasufaasikasvatus) menetelmillä, on tarkasteltu työn kokeellista osaa varten. Kokeellisessa osassa käytettiin ALD-menetelmää BiFeO3-ohutkalvojen kasvattamiseen Si-substraateille. Valituilla lähtöaineilla (Fe(thd)3, Fe(C5H5)2, Bi(thd)3, BiC13, O3) kasvatettiin ensin binäärisiä metallioksidikalvoja tarkoituksena optimoida kasvatusprosessit ternäärisiä Bi-Fe-O-ohutkalvoja varten. Optimointi tehtiin kasvatus- ja sublimointilämpötilojen ja lähdeainepulssien pituuksien osalta. Bi(thd)3 muodosti monikiteistä Bi-O-kalvoa 160 °C:n lämpötilassa, kun taas BiCl3 muodosti BIOCI-faasia. Fe(thd)3:n havaittiin kemisorboituvan Bi-O-pinnalle mutta ei suoraan Si-substraatille. Sen sijaan Fe(C5H5)2 muodosti 250°C:ssa tasaista ja amorfista Fe-O-kalvoa kummallekin pinnalle. Binääriprosessit, joiden kasvatuslämpötilat kohtasivat, yhdistettiin ternääriprosesseiksi. Kalvojen kiteisyyttä ja faasikoostumusta tutkittiin röntgendiffraktiolla (XRD). Kalvojen kemiallinen koostumus määritettiin röntgenfluoresenssilla (XRF) ja Rutherford backscattering spektroskopialla (RBS). Työssä onnistuttiin valmistamaan BiFeO3-ohutkalvoja ensimmäistä kertaa ALD-menetelmällä. Lähtöaineina käytettiin Bi(thd)3:tä ja Fe(thd)3:tä ja otsonia. Ohutkalvon paksuus oli n. 200 nm. Lämpökäsittelemällä 160 °C:ssa kasvatettuja Bi-Fe-O-kalvoja 500 °C:ssa happi-ilmakehässä 10 minuutin ajan havaittiin kalvojen kiteytyvän romboedrisenä BiFeO3-perovskiittina. XRF-mittausten perusteella voitiin todeta kalvojen olevan koostumukseltaan stoikiometrisiä ennen ja jälkeen lämpökäsittelyn.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Atomic layer deposition of binary and ternary lead and bismuth oxide thin films
    (Helsinki University of Technology, 2007-04-27) Harjuoja, Jenni; Department of Chemical Technology; Kemian tekniikan osasto; Laboratory of Inorganic and Analytical Chemistry; Epäorgaanisen ja analyyttisen kemian laboratorio
    This thesis describes the deposition of binary lead oxide and ternary lead titanate, lead zirconate, bismuth silicate, and bismuth titanate films by atomic layer deposition (ALD) and characterization of structural, compositional and surface properties of the films. The first part of the thesis reviews the principles of the ALD technique and the relevant literature on perovskite oxides and films and the deposition of lead and bismuth films by ALD, and the second part summarizes the experimental work reported in the five appended publications. On the basis of the binary lead oxide depositions, the Ph4Pb/O3 process was chosen for the ternary oxide studies. Careful optimization of the pulsing ratio of the binary oxides allowed processing of stoichiometric perovskite PbTiO3 and PbZrO3 thin films. Crystalline PbTiO3 on Si(100) was detected after annealing at 600 °C. In the case of lead zirconate, the perovskite phase (PbZrO3) was obtained on SrTiO3(100) after annealing at 600 °C. In both cases, a slight excess of lead enhanced the crystallinity. Roughness values were nevertheless higher than values obtained in binary processes. A new bimetallic precursor Bi(CH2SiMe3)3 was introduced for the deposition of bismuth silicate. With ozone as oxidizing agent, ALD-window for Bi-Si-O thin film growth was found at 250-350 °C. The Si to Bi atomic ratio in this region was about 2. Addition of a second bismuth precursor, BiPh3, increased the bismuth content. Combination of the BiPh3/O3 process and the Ti(O-i-Pr)4/H2O process allowed successful deposition of bismuth titanate. Good control of the film stoichiometry was achieved at the deposition temperature of 250 °C. Both as-deposited ternary bismuth oxides were amorphous. After annealing at 600 °C, the a-axis-oriented Bi2SiO5 phase was detected. Higher annealing temperatures were necessary for bismuth titanate. The most textured film of Bi4Ti3O12 was obtained in N2 atmosphere at annealing temperature of 1000 °C. Roughness values of the thin films were reasonable, being in the range of 0.3-1.3 nm.