Atomic layer deposition and characterization of BiFeO<sub>3</sub> thin films

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2007

Department

Kemian tekniikan osasto

Major/Subject

Epäorgaaninen kemia

Mcode

Kem-35

Degree programme

Language

en

Pages

viii + 84

Series

Abstract

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.

Description

Supervisor

Karppinen, Maarit

Thesis advisor

Harjuoja, Jenni
Putkonen, Matti

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120554031

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK