KR20130143395A - A COMPOSITION OF ZN AND TI-DOPED BiFeO3 THIN FILMS AND THEIR FABRICATION METHOD THEREOF - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composition for a BiFeO3 thin film with Zn and Ti and a fabrication method thereof. The composition for a BiFeO3 thin film with zinc and titanium enhances ferroelectric characteristics by increasing chemical stability through the excess addition of Bi ions in an A-site of the BiFeO3 and the substitution of a small amount of Zn ions and Ti ions in a B-site, improves ferroelectric characteristics and leakage current characteristics by reducing the generation of oxygen vacancies generated in the inner space of the thin film, improves the problems of the BFO thin film with a low residual polarization value and high conductivity by changing the deposition condition and addition of the Zn ions and Ti ions, and presents development possibility. [Reference numerals] (AA) Minimize the pressure of a chamber before deposition (Minimize impurities within the chamber);(BB) Fix the oxygen partial pressure of the chamber at 30 mTorr;(CC) Fix the temperature of a substrate at 530°C;(DD) Start deposition;(EE) Temperature drop after deposition;(FF) Deposited film

Description

아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법{A composition of Zn and Ti-doped BiFeO3 Thin Films and their fabrication method thereof}A composition of Zn and Ti-doped BiFeO3 Thin Films and their fabrication method

본 발명은 BiFeO3의 A-site(Bi 자리)의 Bi 이온의 과잉첨가와 B-site(Fe 자리)에 소량의 Zn, Ti 이온의 치환을 통하여 화학적인 안정성을 높여 전반적인 강유전적 특성을 향상시킬 수 있고, B-site에 치환된 Zn, Ti 이온이 박막 내부에 생성되는 산소의 빈자리의 생성을 감소시켜 강유전성 및 누설전류의 특성을 개선시킬 수 있으며, Zn, Ti 이온의 첨가와 증착 조건을 변화하여 낮은 잔류분극 값과 높은 전기전도도를 가진 BFO 박막의 문제를 조금 더 개선시킴은 물론 발전 가능성을 제시할 수 있는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법에 관한 기술이다.The present invention improves the overall ferroelectric properties by increasing the chemical stability through the excessive addition of Bi ions in the A-site (Bi site) of BiFeO 3 and the substitution of a small amount of Zn and Ti ions in the B-site (Fe site). Zn and Ti ions substituted in the B-site can reduce the formation of oxygen vacancies in the thin film, thereby improving the characteristics of ferroelectricity and leakage current, and changing the addition and deposition conditions of Zn and Ti ions. BiFeO 3 with zinc and titanium can improve the problem of BFO thin films with low residual polarization value and high electrical conductivity and suggest potential development. It is a technique regarding the composition of a thin film and its manufacturing method.

최근 들어 강유전체에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있는데, 이는 강유전체가 강유전성 뿐만 아니라, 초전성(pyroelectric), 압전성(piezoelectric), 전기 광학적(electro-optic) 성질 그리고 비선형 광학적(nonlinear optic) 성질 등을 가지고 있어서 그 응용 범위가 매우 크기 때문이다. 이런 특성을 이용하여 강유전체는 이미 비휘발성 기억소자(nonvolatile memory device), DRAM(dynamic random access memory), 적외선 센서, SAW(surface acoustic wave) 필터 그리고 제 2 고조파 발생 장치(second-harmonic generator) 등에 응용되고 있다. In recent years, studies on ferroelectric materials have been actively carried out. This is because ferroelectric materials have not only ferroelectricity but also pyroelectric, piezoelectric, electro-optic and nonlinear optic properties. Because its application range is very large. By using these characteristics, ferroelectrics can be applied to nonvolatile memory devices, dynamic random access memories (DRAMs), infrared sensors, surface acoustic wave (SAW) filters, and second harmonic generators .

하지만, 그 용량의 한계가 보이고 있고, 응용의 다양성이 요구되는 상황에서 새로운 소재 개발의 필요성이 대두되고 있으며, 차세대 메모리용 소자로 전기적 특성과 자기적 특성을 동시에 지니고 있는 다강체의 관심이 크게 대두되고 있다.However, there is a need for new material development in the situation where the capacity is limited and application diversity is required, and the interest of the multi-rigid body, which has electric and magnetic characteristics at the same time, .

이러한 다강체(mutiferroics)는 강유전성(ferroelectric), 강자성(ferromagnetic), 그리고 강탄성(ferroelastic) 중에서 두 가지 이상의 특성을 동시에 보이는 물질을 의미한다. 실제로 새로운 개념의 차세대 다기능성 메모리 소자로서 그 응용 가능성을 가지고 있어 최근에 관심이 높아지는 소재이다.Such multiferroics refers to materials that exhibit two or more properties simultaneously, such as ferroelectric, ferromagnetic, and ferroelastic. In fact, it is a new generation multi-functional memory device with a new concept and its application possibility.

하지만, BiFeO3은 높은 누설전류(leakage current)로 인해 물질 고유한 강유전성을 측정하기 힘들다. 이러한 높은 누설전류의 원인은 A-site의 Bi3 + 이온이 공정 과정 중의 휘발과 더불어 B-site의 Fe3 + 이온이 Fe2 +이온으로 부분적으로 천이되어 공간 전하의 불균형을 가져오고 이에 기인하여 산소 빈자리가 생기기 때문이다. 또한 G-type anti-ferromagnetism의 자성 구조를 가지고 있어, 자기 분극의 효과가 미약한 문제점이 있다.However, BiFeO 3 is difficult to measure the material-specific ferroelectricity due to its high leakage current. This causes a high leakage current is Fe 3 + ions in the B-site, with volatilization of Bi 3 + ions in the A-site the manufacturing process is partially shifted to the Fe 2 + ions coming to an imbalance of the space charge due to this Oxygen vacancies are formed. In addition, it has a magnetic structure of G-type anti-ferromagnetism, so that the effect of magnetic polarization is weak.

그러므로 BiFeO3의 A-site의 Bi 이온의 과잉첨가와 B-site에 소량의 Zn, Ti 이온의 치환을 통하여 화학적인 안정성을 높여 전반적인 강유전적 특성을 향상시킬 수 있고, B-site에 치환된 Zn, Ti 이온이 박막 내부에 생성되는 산소의 빈자리의 생성을 감소시켜 강유전성 및 누설전류의 특성을 개선시킬 수 있으며, Zn, Ti 이온의 첨가와 증착 조건을 변화하여 낮은 잔류분극 값과 높은 전기전도도를 가진 BFO 박막의 문제를 조금 더 개선시킴은 물론 발전 가능성을 제시할 수 있는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.Therefore, it is possible to improve the overall ferroelectric properties by increasing the chemical stability through excessive addition of Bi ions of A-site of BiFeO 3 and substitution of small amount of Zn and Ti ions in B-site, and Zn substituted in B-site. , Ti ions can reduce the formation of oxygen vacancies in the thin film to improve the ferroelectricity and leakage current characteristics, and the addition of Zn and Ti ions and the deposition conditions change the low residual polarization value and high electrical conductivity. BiFeO 3 with zinc and titanium adds to the development of the BFO thin film and suggests potential for development. There is an urgent need for the development of the composition of the thin film and its manufacturing method.

이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, BiFeO3의 A-site의 Bi 이온의 과잉첨가와 B-site에 소량의 Zn, Ti 이온의 치환을 통하여 화학적인 안정성을 높여 전반적인 강유전적 특성을 향상시킬 수 있는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been conceived to solve the above problems, the overall ferroelectric properties by increasing the chemical stability through the excessive addition of Bi ions of the A-site of BiFeO 3 and the substitution of a small amount of Zn, Ti ions in the B-site BiFeO 3 with zinc and titanium It is an object of the present invention to provide a composition of a thin film and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 B-site에 치환된 Zn, Ti 이온이 박막 내부에 생성되는 산소의 빈자리의 생성을 감소시켜 강유전성 및 누설전류의 특성을 개선시킬 수 있는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is a Zn, Ti ions BiFeO the addition of zinc and titanium, which can reduce the generation of oxygen vacancies to improve the characteristics of the ferroelectric thin film, and leakage current is generated inside the three-substituted in the B-site It is to provide a composition of the thin film and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 Zn, Ti 이온의 첨가와 증착 조건을 변화하여 낮은 잔류분극 값과 높은 전기전도도를 가진 BFO 박막의 문제를 조금 더 개선시킴은 물론 발전 가능성을 제시할 수 있는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to change the addition of Zn, Ti ions and deposition conditions to improve the problem of BFO thin film with low residual polarization value and high electrical conductivity, as well as zinc and titanium which can suggest the possibility of development. Added BiFeO 3 It is to provide a composition of the thin film and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물은 BiFeO3로 나타내는 조성물을 주성분으로 함유하며, Bi를 5% 과잉첨과와 동시에 Fe에 대하여 Zn 1% 또는 Ti 1%가 치환되는 것을 특징으로 한다.BiFeO 3 added with zinc and titanium according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object The thin film composition contains a composition represented by BiFeO 3 as a main component, and is characterized in that Zn 1% or Ti 1% is substituted for Fe with 5% excess addition of Bi.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물의 제조방법은 Bi1 .05FeO3(BFO), Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3(BFZO), 그리고 Bi1.05(Fe0.99Ti0.01)O3(BFTO)조성의 벌크 형태의 세라믹 타겟을 고상 반응법으로 제작하기 위하여 Bi2O3, Fe2O3, ZnO, TiO2 분말의 출발원료를 준비하는 단계와; 상기 준비된 출발 원료를 에탄올과 혼합시켜 섞어 지름 10 mm의 안정화 지르코니아 볼과 함께 6시간 동안 볼 밀링을 하여 분말을 혼합 및 분쇄하는 공정과, 상기 밀링 후 90 ℃의 오븐에서 건조시키고, 건조된 분말을 700 ℃ 에서 2시간 동안 하소하는 공정을 포함하는 세라믹 타겟용 분말을 제조하는 단계와; 상기 세라믹 타겟용 분말에 성형을 위한 결합제로서 Poly Vinyl Alcohol(PVA)를 첨가 혼합하고 150 체로 체가름하는 공정과, 상기 체가름 된 분말은 일축 가압성형을 통하여 직경 1 inch, 두께 3 mm의 디스크 형태로 제작하는 공정을 포함하는 성형하는 단계와; 상기 성형된 시편은 알루미나 판 위에 놓고 Bi이온의 휘발을 막기 위해 조성이 같은 분말로 장입하는 공정과, 타겟을 Box형 전기로에 넣고 5 ℃/min의 승온 속도로 820 ℃의 소결 온도까지 올린 다음 2시간 유지한 후, 냉각하여 타켓을 제조하는 공정을 포함하는 소결 및 냉각하는 단계와; Si(100)에 thermal oxidation 법으로 SiO2를 300 nm 증착한 후 Ti을 sputtering 법으로 10 nm를 입힌 후 Pt(111)을 sputtering 법으로 150 nm가 증착된 Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100) 기판을 준비하는 공정과, Bi1 .05FeO3(BFO), Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3(BFZO), 그리고 Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3(BFTO)의 타겟을 기판위에 248 nm의 파장을 가지고 있는 Kr:F 엑시머 레이저를 이용하여 1.1 J/cm2 /shot 에너지 밀도에서 산소분압, 기판온도, 냉각 속도를 조절하여 증착을 하는 박막성장을 포함하는 박막 성장을 위해 기판을 준비하고 펄스레이저 증착법에 의해 박막을 성장시키는 단계; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the manufacturing method of the composition of BiFeO 3 thin film by the addition of zinc and titanium, according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the abovementioned objects is Bi 1 .05 FeO 3 (BFO) , Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Zn 0 .01) O 3 (BFZO), and Bi 1.05 (Fe 0.99 Ti 0.01) O 3 (BFTO) Bi in order to produce the bulk of the ceramic target of the composition in the solid phase reaction method 2 O 3 , Fe 2 O 3 , ZnO, TiO 2 Preparing a starting material of the powder; The prepared starting raw materials are mixed with ethanol and mixed to grind the powder by ball milling with a stabilized zirconia ball having a diameter of 10 mm for 6 hours, and after the milling, dried in an oven at 90 ° C., and dried powder. Preparing a powder for a ceramic target comprising a step of calcining at 700 ° C. for 2 hours; A polyvinyl alcohol (PVA) as a binder for molding is added to the powder for ceramic target and sieved by 150 sieves; and the sieved powder is uniaxially pressed and formed into a disk having a diameter of 1 inch and a thickness of 3 mm ≪ / RTI > The molded specimen is placed on an alumina plate and charged with powder having the same composition to prevent volatilization of Bi ions, and the target is placed in a box-type electric furnace and raised to a sintering temperature of 820 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min. Sintering and cooling, the process comprising: cooling to produce a target after holding for time; 300 nm of SiO 2 was deposited on the Si (100) by thermal oxidation, 10 nm was coated by the sputtering method, and 150 nm was deposited by sputtering the Pt (111) / Ti / SiO 2 /. Si (100) comprising the steps of: preparing a substrate, Bi 1 .05 FeO 3 (BFO ), Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Zn 0 .01) O 3 (BFZO), and Bi 1 .05 (Fe 0. 99 Ti 0 .01) O 3 ( BFTO) has a wavelength of 248 nm to a target on a substrate in the Kr: F excimer laser using oxygen partial pressure, substrate temperature, the cooling rate at 1.1 J / cm 2 / shot energy density Preparing a substrate for thin film growth, including controlling and depositing thin film growth, and growing the thin film by pulse laser deposition; And a control unit.

상기 본 발명에 있어서, 상기 세라믹 타겟용 분말을 제조하는 단계에서, 분말 입자의 균질성을 높이기 위하여 밀링, 건조, 하소 공정을 각각 두 번 반복한 후 다시 밀링, 건조하여 최종분말을 얻는 것을 포함함을 특징으로 한다. In the present invention, in the step of preparing a powder for the ceramic target, in order to increase the homogeneity of the powder particles, and repeating the milling, drying, calcining process each two times, and then again milling, drying to obtain a final powder It features.

상기 본 발명에 있어서, 상기 냉각하는 단계에서, 상기 냉각 중에 발생하는 불순물 상을 피하기 위하여 급속 냉각 공정을 통하여 타겟을 제조하는 것을 포함함을 특징으로 한다. In the present invention, the cooling step, characterized in that it comprises the manufacture of the target through a rapid cooling process to avoid the impurity phase generated during the cooling.

본 발명에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.BiFeO 3 to which zinc and titanium are added according to the present invention The composition of the thin film and its manufacturing method have the following effects.

첫째, 본 발명은 BiFeO3의 A-site의 Bi 이온의 과잉첨가와 B-site에 소량의 Zn, Ti 이온의 치환을 통하여 화학적인 안정성을 높여 전반적인 강유전적 특성을 향상시킬 수 있다.First, the present invention can improve the overall ferroelectric property by increasing the chemical stability through excessive addition of Bi ions at the A-site of BiFeO 3 and substitution of a small amount of Zn and Ti ions at the B-site.

둘째, 본 발명은 B-site에 치환된 Zn, Ti 이온이 박막 내부에 생성되는 산소의 빈자리의 생성을 감소시켜 강유전성 및 누설전류의 특성을 개선시킬 수 있다.Second, the present invention can improve the characteristics of ferroelectricity and leakage current by reducing the formation of vacancies of oxygen generated in the thin film by Zn and Ti ions substituted in B-site.

셋째, 본 발명은 Zn, Ti 이온의 첨가와 증착 조건을 변화하여 낮은 잔류분극 값과 높은 전기전도도를 가진 BFO 박막의 문제를 조금 더 개선시킴은 물론 발전 가능성을 제시할 수 있다.Third, the present invention can improve the problem of the BFO thin film having low residual polarization value and high electric conductivity by changing the addition of Zn and Ti ions and the deposition conditions.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 벌크 세라믹 타겟을 제작하는 과정을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFTO, 그리고 BFZO 벌크 세라믹 타켓의 XRD 패턴을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 구조 를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막을 제조하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFTO, and BFZO 박막의 XRD 패턴을 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막에서의 표면의 형상을 나타낸 사진 도면.
도 7(a) 내지 7(c)은 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막 캐패시터의 강유전이력곡선을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막 캐패시터의 누설전류를 나타낸 도면.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막의 XPS 스펙트럼을 나타낸 도면.
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the concentration of zinc and titanium added BiFeO 3 Fig. 3 is a view showing a process of manufacturing a bulk ceramic target.
FIG. 2 illustrates XRD patterns of BFO, BFTO, and BFZO bulk ceramic targets in accordance with one embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the results of a comparison between BiFeO 3 Fig.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the amount of zinc and titanium added BiFeO 3 ≪ / RTI >
5 illustrates XRD patterns of BFO, BFTO, and BFZO thin films according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph showing the shape of a surface in BFO, BFZO, and BFTO thin films according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 7 (a) to 7 (c) are diagrams showing ferroelectric hysteresis curves of BFO, BFZO, and BFTO thin film capacitors according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph showing leakage currents of BFO, BFZO, and BFTO thin film capacitors according to an embodiment of the present invention.
9 is an XPS spectrum of BFO, BFZO, and BFTO thin films according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of related art or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, The description will be omitted, and the terms described below are defined in consideration of the function of the present invention, and this may vary depending on the intention or custom of the user, the operator, and the like. The definition of the present invention is BiFeO 3 The composition of the thin film, and the manufacturing method thereof.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물 및 그 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention in which BiFeO 3 The composition of the thin film and the manufacturing method thereof will be described as follows.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 벌크 세라믹 타겟을 제작하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 구조를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막을 제조하는 흐름도이다. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the concentration of zinc and titanium added BiFeO 3 A diagram illustrating a process of making a bulk ceramic target 2 is BiFeO 3 by the addition of zinc and titanium, according to one embodiment of the present invention FIG. 3 is a graph showing the structure of a thin film of BiFeO 3 Fig.

도 1에 도시한 바와 같이, 첫째로는, 출발원료를 준비하는 과정으로서, Bi1 .05FeO3(BFO), Bi1.05(Fe0.99Zn0.01)O3(BFZO), 그리고 Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3(BFTO) 조성의 벌크 형태의 세라믹 타겟을 고상 반응법으로 제작하기 위하여 출발원료로서 Bi2O3(99.99%), Fe2O3(99.99%), ZnO(99.99%),TiO2(99.9%)분말을 사용하였다. As shown in FIG. 1, first, as a process for preparing a starting material, Bi 1 .05 FeO 3 (BFO), Bi 1.05 (Fe 0.99 Zn 0.01 ) O 3 (BFZO), and Bi 1 .05 Fe 0 .99 Ti 0 .01 ) O 3 (BFTO) A Bi 2 O 3 (99.99%) , Fe 2 O 3 (99.99%), ZnO (99.99%), TiO 2 (99.9%) powder as a starting material to produce a bulk form of a ceramic target of the composition of the solid phase reaction method Respectively.

둘째로는, 세라믹 타겟용 분말을 제조하는 과정으로서, 출발 원료를 에탄올과 혼합시켜 섞어 지름 10 mm의 안정화 지르코니아 볼과 함께 6시간 동안 볼밀링을 하여 분말을 혼합 및 분쇄하였다. 밀링 후 90 ℃의 오븐에서 건조시키고, 건조된 분말을 700 ℃ 에서 2시간 동안 하소하였다. 분말 입자의 균질성을 높이기 위하여 밀링, 건조, 하소 공정을 각각 두 번 반복한 후 다시 밀링, 건조하여 최종분말을 얻었다. Secondly, as a process for producing a powder for a ceramic target, starting materials were mixed with ethanol, mixed and milled together with a stabilized zirconia ball having a diameter of 10 mm for 6 hours to mix and grind the powder. After milling, it was dried in an oven at 90 DEG C, and the dried powder was calcined at 700 DEG C for 2 hours. In order to increase the homogeneity of the powder particles, the milling, drying and calcination steps were repeated twice, and then milled and dried again to obtain a final powder.

셋째로는, 성형하는 과정으로서, 최종분말에 성형을 위한 결합제로서 Poly Vinyl Alcohol(PVA)를 첨가 혼합하고 150 체로 체가름 하였다. 체가름 된 분말은 일축 가압성형을 통하여 직경 1 inch, 두께 3 mm의 디스크 형태로 제작하였다.Third, Poly Vinyl Alcohol (PVA) was added to the final powder as a binder for molding and 150 sieves were sieved. The sintered powders were fabricated by uniaxial pressing to form disks with a diameter of 1 inch and a thickness of 3 mm.

넷째로는, 소결 및 냉각하는 과정으로서, 제작된 시편은 알루미나 판 위에 놓고 Bi이온의 휘발을 막기 위해 조성이 같은 분말로 장입 하였다. 타겟을 Box형 전기로에 넣고 5 ℃/min의 승온 속도로 820 ℃의 소결 온도까지 올린 다음 2시간 유지한 후, 냉각 중 발생하는 불순물 상을 피하기 위하여 급속냉각 공정을 통하여 세라믹 타겟을 제조하였다.Fourthly, as a process of sintering and cooling, the prepared specimen was placed on an alumina plate and charged with powder of the same composition to prevent the volatilization of Bi ions. The target was placed in a box-type electric furnace, heated to a sintering temperature of 820 ° C at a heating rate of 5 ° C / min, held for 2 hours, and then subjected to a rapid cooling process to prepare a ceramic target to avoid impurities.

도 3에 도시한 바와 같이, 다섯째로는, 박막 성장을 위해 기판을 준비하고 펄스레이저 증착법에 의해 박막을 성장시키는 과정으로서, 먼저, 기판준비 과정은 박막을 제조하기 위한 기판으로는 Si(100)에 thermal oxidation 법으로 SiO2를 300 nm 증착 후 Ti을 sputtering 법으로 10 nm 정도 입힌 후 Pt(111)을 sputtering 법으로 150 nm 증착 된 기판인 Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)을 사용하였으며, 기판을 1 cm × 1 cm 정도로 자른 후 유기물을 제거하기 위하여 초음파 세척기를 이용하여 아세톤에서 약 15분간 세척한 후 증류수로 세척하고 즉시, 불활성 가스인 질소가스로 건조 후 기판 홀더에 열전도율이 높은 실버 페이스트(siver-paste)를 이용하여 건조된 기판을 붙이고 기판과 홀더의 접착력을 높이기 위해서 90 ℃의 오븐에서 약 30분간 건조 후 사용하였다. As a fifth step, a substrate is prepared for thin film growth and a thin film is grown by a pulse laser deposition method. First, as a substrate for preparing a thin film, Si (100) a thermal oxidation method to SiO 2 to 300 nm of Pt (111) / Ti / SiO 2 / Si (100) of 150 nm deposited Pt (111) by sputtering process the substrate after the post-deposition Ti coated with approximately 10 nm sputtering method The substrate was cut into 1 cm × 1 cm and washed with acetone for 15 minutes using an ultrasonic cleaner to remove organic matter. The substrate was washed with distilled water and immediately dried with nitrogen gas as an inert gas. The substrate had a thermal conductivity In order to increase the adhesion between the substrate and the holder, the dried substrate was attached to the substrate using a high silver paste, and the substrate was dried in an oven at 90 ° C. for about 30 minutes.

도 4에 도시한 바와 같이, 다음으로, 펄스레이저 증착법에 의한 박막성장 과정은 Bi1 .05FeO3(BFO), Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3(BFZO), 그리고 Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3(BFTO) 타겟을 기판 위에 248 nm의 파장을 가지고 있는 Kr:F 엑시머 레이저를 이용하여 1.1 J/cm2 /shot 에너지 밀도에서 증착을 하였으며 산소분압 30 mtorr, 기판온도 530℃, 냉각 속도를 조절하여 증착을 하여 성장시키는 것이다. As shown in FIG. 4, the thin film growth process by pulsed laser deposition is performed using Bi 1 .05 FeO 3 (BFO), Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Zn 0 .01 ) O 3 (BFZO) And a Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Ti 0 .01 ) O 3 (BFTO) target was deposited on the substrate at a energy density of 1.1 J / cm 2 / shot using a Kr: F excimer laser having a wavelength of 248 nm And the deposition was performed by controlling the oxygen partial pressure of 30 mtorr, the substrate temperature of 530 ° C, and the cooling rate.

세라믹 타겟과 박막의 구조 및 결정성을 확인하기 위하여 X-선 회절 장치(X-ray diffractometer, MinflexII, Rigaku)를 이용하여 측정하였고, 표면관찰 및 두께 측정을 위해 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: FESEM, Tescan, MIRA II LMH)을 이용하여 박막의 결정립의 평균 크기 및 표면과 단면의 상태와 두께를 관찰하였으며, 화학적 결합상태 분석을 위하여 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 이용하여 BiFeO3에 X선을 조사하여 광전자의 운동에너지로부터 결합에너지를 구하여 Fe-site 에 첨가된 전이금속에 따른 Fe3 +와 Fe2 +의 공존비율을 분석을 하였다.In order to observe the structure and crystallinity of the ceramic target and the thin film, it was measured using an X-ray diffractometer (Minflex II, Rigaku), and a field emission scanning electron microscope Electron Microscope (FESEM, Tescan, MIRA II LMH) was used to measure the average grain size, surface and cross-sectional states and thickness of the thin films. X- ray photoelectron spectroscopy XPS) was used to irradiate BiFeO 3 with X-rays to determine the kinetic energy of photoelectrons The binding energy was determined and the coexistence ratio of Fe 3 + and Fe 2 + according to the transition metal added to the Fe-site was analyzed.

또한 BFO 박막의 강유전 이력곡선을 측정하기 위하여 강유전성 특성 측정 장치(Home Made)를 사용하여 상온에서 10 kHz의 삼각파로 측정하였으며, 누설전류 밀도를 측정하기 위하여 상온에서 반도체 I-V 측정 장비(Semiconductor parameter analyzer, HP 4145b)를 사용하여 측정하였다In order to measure the ferroelectric hysteresis curves of the BFO thin films, a ferroelectric property measuring device (Home Made) was used and measured with a 10 kHz triangular wave at room temperature. In order to measure the leakage current density, a Semiconductor parameter analyzer HP 4145b)

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFTO, and BFZO 벌크 세라믹 타켓의 XRD 패턴의 결과를 보여주고 있다.Figure 2 shows the results of XRD patterns of BFO, BFTO, and BFZO bulk ceramic targets according to one embodiment of the present invention.

XRD 분석결과 다결정 벌크 세라믹 타겟은 페로브스카이트 구조에 잘 맞는 것을 보여주고 있다. 모든 회절패턴은 BFO 상을 잘 유지하는 것을 알았다(JCPDS Card no. 86-1518). 모든 벌크 세라믹은 이차상이 발견이 되었는데, Fe-rich(철 과잉) and Bi-rich(비스무스 과잉) 상을 가지고 있는 것으로 확인 되었다. BFZO 벌크 세라믹의 경우 가장 적은 이차상이 발견이 되는 반면에 BFTO 경우 다른 벌크 세라믹보다 많은 이차상이 발견이 되었다. 이는 결정화 온도와 밀접한 관련이 있는데, Ti4+ions을 도핑한 BFO 벌크 세라믹에서도 유사한 경향을 보이고 있다.XRD analysis shows that the polycrystalline bulk ceramic target is well suited to the perovskite structure. All diffraction patterns were found to maintain the BFO phase well (JCPDS Card no. 86-1518). All bulk ceramics were found to have a secondary phase, Fe-rich and Bi-rich phases. In BFZO bulk ceramics, the least secondary phase was found, whereas in BFTO, more secondary phases were found than in other bulk ceramics. This is closely related to the crystallization temperature, and BFO bulk ceramics doped with Ti 4+ ions show a similar tendency.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFTO, and BFZO 박막의 XRD 결과를 보여주고 있다. FIG. 5 shows XRD results of BFO, BFTO, and BFZO thin films according to an embodiment of the present invention.

그 결과 Zn 혹은 Ti 결정구조에는 영향을 주지 않는 것으로 보여지고 있다. 이러한 이유는 Ti 이온 혹은 Zn 이온이 Fe 이온과 비슷한 이온의 반지름을 가지고 있기 때문이라 판단된다. (100), (110), 그리고 (111)로 정렬된 볼륨의 양(면적)은 그림2에서와 같이 예상되는데 이는 다름과 같은 식을 따른다:As a result, it seems that it does not affect Zn or Ti crystal structure. This is probably because the Ti ion or Zn ion has a radius of ions similar to that of Fe ion. The volume (area) of the volumes arranged in (100), (110), and (111) is expected as shown in Figure 2,

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

F hkl 은 결정 인자, LP hkl 은 로렌츠와 분극의 인자,MP hkl은 복합 인자, A hkl흡수 인자, V 상의 볼륨 인자, 그리고 Vc 유닛셀의 볼륨. 여기서 우리는 “V” 만을 고려하였는데, 그 이유는 다른 인자의 경우 상수이기 때문이다(동일한 물질내 에서의 상수는 같다고 여긴다). BFO(Bi1 .05FeO3) 박막에서 계산된 (100), (110), 그리고 (111) 정렬된 볼륨의 양은 각각 0.3%, 3.7%, 그리고 96.0% 이며, BFZO(Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3)의 볼륨의 경우 0.4%, 9.0%, 그리고 90.6%. BFTO(Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3) 박막의 경우, (111) 반사가 없었다. 이와 같은 것으로 보아 BFO 와 BFZO 박막의 경우 <111> 방향으로 정렬이 된 것을 알 수가 있었다. BFO 박막의 자발분극 방향은 [111] 방향이기 때문에 BFO 와 BFZO 박막에서 우수한 자발분극 값을 가질 것이라 예상된다. F fast , LP hkl is Lorentz's polarization factor, MP hkl is a complex factor, A hkl absorption factor, V , And the volume of the V c unit cell. Here, we have considered only " V " because the other factors are constants (the constants in the same material are considered the same). The BFO calculated in (Bi 1 .05 FeO 3) thin-film 100, 110, and 111, and the amount of the sort volumes each of 0.3%, 3.7%, and 96.0%, BFZO (Bi 1 .05 (Fe 0. 99 Zn 0 .01 ) O 3 ) were 0.4%, 9.0% and 90.6%, respectively. In the case of BFTO (Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Ti 0 .01 ) O 3 ) thin film, there was no (111) reflection. As a result, the BFO and BFZO thin films were aligned in the <111> direction. Since the spontaneous polarization direction of the BFO thin film is the [111] direction, it is expected that the BFO and BFZO thin films have excellent spontaneous polarization.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막에서의 표면의 형상을 보여주고 있다. FIG. 6 shows the surface shapes of BFO, BFZO, and BFTO thin films according to an embodiment of the present invention.

BFO 그리고 BFZO 박막에서 상당히 비슷한 사이즈와 평균적인 입자 사이즈를 가지고 있는 것으로 관찰되었다. BFTO 박막의 경우 비 입자성장(입자의 크기가 서로 다르며 그 크기의 차이가 큰 형상)의 모습을 보여주고 있다. SEM의 단면을 관찰한 결과 BFO, BFZO 그리고 BFTO 박막에서 각각 400 nm, 570 nm, 그리고 420 nm 두께로 성장 한 것을 관찰 할 수 있었다.It was observed that BFO and BFZO films had considerably similar size and average particle size. BFTO thin films show non-particle growth (shape of particles with different sizes and big difference in size). As a result of SEM observation, it was observed that BFO, BFZO and BFTO thin films were grown at 400 nm, 570 nm and 420 nm, respectively.

도 7(a), 7(b), 그리고 7(c)는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막 캐패시터의 강유전이력곡선을 보여주고 있다. 7 (a), 7 (b), and 7 (c) show the ferroelectric hysteresis curves of BFO, BFZO, and BFTO thin film capacitors according to an embodiment of the present invention.

강유전이력 곡선을 확인하기 위하여 10 kHz의 주파수에서 측정을 하였다. BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막 캐패시터의 잔류분극(2P r )와 항전계값(2E c )값이 각각 100 μC/cm2그리고 678 kV/cm, 107 μC/cm2그리고 540 kV/cm, 그리고 100 μC/cm2그리고 720 kV/cm으로 확인되었다. The P(E)loop of the BFTO 박막 캐패시터의 강유전이력 곡선에서는 마이너스 방향으로 치우치는 (imprint effects) 현상이 발견 되었다. 이러한 한쪽 방향으로 치우치는 현상은 전자가 결함 자리에 묶이는 것으로, 산소빈자리나 박막과 전극사이의 계면에서의 문제, 혹은 Fe 이온의 혼재 (Fe2 +와 Fe3 +상태) 그리고/혹은 Bi 빈자리 등의 이유가 있다. 이와는 반대로 우수한 강유전이력 곡선의 현상이 동일한 전기장 내에서 비교한 BFZO 박막 캐패시터에서 관찰되었다. The ferroelectric hysteresis curve was measured at a frequency of 10 kHz. The residual polarization (2 P r ) and the coercive field (2 E c ) values of BFO, BFZO and BFTO thin film capacitors were 100 μC / cm 2 and 678 kV / cm, 107 μC / cm 2 and 540 kV / And 100 μC / cm 2 and 720 kV / cm, respectively. In the ferroelectric hysteresis curve of the P ( E ) loop of the BFTO thin film capacitor, imprint effects were found in the negative direction. Developing bias in this one direction is such as electrons are to be tied to the defect sites, the problem of the interface between the oxygen vacancies or the thin film and the electrode, or a mixture of Fe ions (Fe 2 + and Fe 3 + state) and / or Bi vacancy There is a reason. In contrast, the development of excellent ferroelectric hysteresis curves was observed in the BFZO thin film capacitors compared in the same electric field.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막 캐패시터의 누설전류를 나타내고 있다. FIG. 8 shows leakage currents of BFO, BFZO, and BFTO thin film capacitors according to an embodiment of the present invention.

BFZO 박막에 비해 높은 누설전류의 값을 BFO와 BFTO 박막에서 보여주고 있는데, BFZO 박막의 누설전류의 값은 대략 2.8 x 10-4A/cm2의 값으로 다른 박막에 비해서 20-30배의 누설전류의 값의 개선이 있는 것으로 관찰되었다. The leakage current of BFZO thin films is about 2.8 × 10 -4 A / cm 2 , which is 20-30 times larger than that of other thin films. It has been observed that there is an improvement in the value of the current.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막의 XPS 스펙트럼의 결과를 보여주고 있다. 9 shows XPS spectra of BFO, BFZO and BFTO thin films according to an embodiment of the present invention.

Fe3 +이온의 3/2 1/2 스핀-오비탈의 결합 에너지가 709.6 eV 그리고 722.3 Ev으로 보고되고 있다. 픽의 포지션은 가우시안 프로파일을 이용하여 나타내었는데 BFO, BFZO, 그리고 BFTO 박막에서의 Fe2 +의 백분율은 38%, 31%, 그리고 35%으로 각각 계산되었다. XPS 결과로 모든 BFO 박막에서 Fe의 혼재를 확인하였다(Fe3 +-Fe2 +). BFO 그리고 BFTO, BFZO 박막에서 낮은 Fe2 +이온의 혼재를 확인하였으며, 그 결과 억셉터로 작용된 Zn 이온은 산소빈자 억제를 시키며, 낮은 누설전류의 값을 나타낸다는 것을 확인 할 수가 있었다.The binding energy of 3/2 1/2 spin-orbitals of Fe 3 + ions is reported to be 709.6 eV and 722.3 Ev. The peak positions were represented by Gaussian profiles. The percentages of Fe 2 + in BFO, BFZO, and BFTO thin films were calculated as 38%, 31%, and 35%, respectively. As a result of XPS, the presence of Fe in all the BFO thin films was confirmed (Fe 3 + - Fe 2 + ). BFO, BFTO and BFZO thin films showed low Fe 2 + ion concentration. As a result, it was confirmed that acceptor Zn ions suppress oxygen vacancy and show low leakage current.

상기와 같은 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 소재들의 응용범위는 비휘발성 기억소자(nonvolatile memory device), DRAM(dynamic random access memory), 적외선 센서, SAW(surface acoustic wave) 필터 그리고 제 2 고조파 발생 장치(second-harmonic generator) 등 매우 다양하다.The above-mentioned zinc and titanium-added BiFeO 3 Applications of thin film materials are very diverse, including nonvolatile memory devices, dynamic random access memory (DRAM), infrared sensors, surface acoustic wave (SAW) filters, and second harmonic generators Do.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. It is not.

Claims (4)

아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물은 Bi1 .05FeO3로 나타내는 조성물을 주성분으로 함유하며, Bi를 5% 과잉첨과와 동시에 Fe에 대하여 Zn 1% 또는 Ti 1%가 치환되는 것을 특징으로 하는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물.BiFeO 3 with Zinc and Titanium The composition of the thin films, and containing as a main component a composition represented by Bi 1 .05 FeO 3, the addition of zinc and titanium, characterized in that the Zn or Ti 1% 1% with respect to the Bi-substituted at the same time as 5% over-impregnated with Fe One BiFeO 3 Thin film composition. 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물의 제조방법에 있어서,
Bi1 .05FeO3(BFO),Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3(BFZO) 또는 Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3(BFTO) 조성의 벌크 형태의 세라믹 타겟을 고상 반응법으로 제작하기 위하여 Bi2O3, Fe2O3, ZnO, TiO2 분말의 출발원료를 준비하는 단계와;
상기 준비된 출발 원료를 에탄올과 혼합시켜 섞어 지름 10 mm의 안정화 지르코니아 볼과 함께 6시간 동안 볼 밀링을 하여 분말을 혼합 및 분쇄하는 공정과,
상기 밀링 후 90 ℃의 오븐에서 건조시키고, 건조된 분말을 700 ℃ 에서 2시간 동안 하소하는 공정을 포함하는 세라믹 타겟용 분말을 제조하는 단계와;
상기 세라믹 타겟용 분말에 성형을 위한 결합제로서 Poly Vinyl Alcohol(PVA)를 첨가 혼합하고 150 체로 체가름하는 공정과, 상기 체가름 된 분말은 일축 가압성형을 통하여 직경 1 inch, 두께 3 mm의 디스크 형태로 제작하는 공정을 포함하는 성형하는 단계와;
상기 성형된 시편은 알루미나 판 위에 놓고 Bi이온의 휘발을 막기 위해 조성이 같은 분말로 장입하는 공정과, 타겟을 Box형 전기로에 넣고 5 ℃/min의 승온 속도로 820 ℃의 소결 온도까지 올린 다음 2시간 유지한 후, 냉각하여 타켓을 제조하는 공정을 포함하는 소결 및 냉각하는 단계와;
Si(100)에 thermal oxidation 법으로 SiO2를 300 nm 증착한 후 Ti을 sputtering 법으로 10 nm를 입힌 후 Pt(111)을 sputtering 법으로 150 nm가 증착된 Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100) 기판을 준비하는 공정과, Bi1 .05(Fe0 .99Zn0 .01)O3 또는 Bi1 .05(Fe0 .99Ti0 .01)O3 타겟을 기판위에 248 nm의 파장을 가지고 있는 Kr:F 엑시머 레이저를 이용하여 1.1 J/cm2 /shot 에너지 밀도에서 산소분압, 기판온도, 냉각 속도를 조절하여 증착을 하는 박막성장을 포함하는 박막 성장을 위해 기판을 준비하고 펄스레이저 증착법에 의해 박막을 성장시키는 단계; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물의 제조방법.
BiFeO 3 with Zinc and Titanium In the method for producing a thin film composition,
Bi 1 .05 FeO 3 (BFO) , Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Zn 0 .01) O 3 (BFZO) or Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Ti 0 .01) O 3 (BFTO) Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 , ZnO, TiO 2 Preparing a starting material of the powder;
Mixing and mixing the prepared starting raw materials with ethanol, mixing and milling the powders by ball milling for 6 hours with a stabilized zirconia ball having a diameter of 10 mm,
Preparing a powder for a ceramic target, which comprises drying the oven at 90 ° C. after the milling and calcining the dried powder at 700 ° C. for 2 hours;
A polyvinyl alcohol (PVA) as a binder for molding is added to the powder for ceramic target and sieved by 150 sieves; and the sieved powder is uniaxially pressed and formed into a disk having a diameter of 1 inch and a thickness of 3 mm &Lt; / RTI &gt;
The molded specimen is placed on an alumina plate and charged with powder having the same composition to prevent volatilization of Bi ions, and the target is placed in a box-type electric furnace and raised to a sintering temperature of 820 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min. Sintering and cooling, the process comprising: cooling to produce a target after holding for time;
300 nm of SiO 2 was deposited on the Si (100) by thermal oxidation, 10 nm was coated by the sputtering method, and 150 nm was deposited by sputtering the Pt (111) / Ti / SiO 2 /. Si (100) comprising the steps of: preparing a substrate, Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Zn 0 .01) O 3 or Bi 1 .05 (Fe 0 .99 Ti 0 .01) O 248 nm for 3 target on the substrate The substrate is prepared for thin film growth including thin film growth by depositing by controlling oxygen partial pressure, substrate temperature and cooling rate at 1.1 J / cm 2 / shot energy density using Kr: F excimer laser having a wavelength of Growing a thin film by pulsed laser deposition; Method for producing a composition of BiFeO 3 thin film with zinc and titanium added, comprising a.
제 2항에 있어서,
상기 세라믹 타겟용 분말을 제조하는 단계에서, 분말 입자의 균질성을 높이기 위하여 밀링, 건조, 하소 공정을 각각 두 번 반복한 후 다시 밀링, 건조하여 최종분말을 얻는 것을 포함함을 특징으로 하는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물의 제조방법.
3. The method of claim 2,
In the step of preparing the powder for the ceramic target, zinc and titanium, characterized in that to obtain a final powder by repeating the milling, drying, calcination process twice to increase the homogeneity of the powder particles, and then again milling, drying Added BiFeO 3 Method for producing a thin film composition.
제 2항에 있어서,
상기 냉각하는 단계에서, 상기 냉각 중에 발생하는 불순물 상을 피하기 위하여 급속 냉각 공정을 통하여 타겟을 제조하는 것을 포함함을 특징으로 하는 아연과 티타늄을 첨가한 BiFeO3 박막의 조성물의 제조방법.
3. The method of claim 2,
In the cooling step, BiFeO 3 added with zinc and titanium, comprising preparing a target through a rapid cooling process to avoid an impurity phase generated during the cooling. Method for producing a thin film composition.
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