천이원소(Ni, Cr, Ti)를 첨가한 Bi0.9Dy0.1FeO3 박막의 성장과 전기적 특성 = Preparation and Electrical Properties of Transition-metal (Ni, Cr, Ti)-doped Bi$_{0.9}$Dy$_{0.1}$FeO$_3$ Thin Films

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Pure BiFeO$_3$ (BFO) and Dy^3+- and transition-metal (Ni^2+,Cr^3+, Ti^4+)-ion co-doped (Bi_0.9Dy_(0.1))(Fe_(0.975)_(0.025))O_(3±, (B = Ni^2+, Cr^3+ and Ti^4+, denoted by BDFNi, BDFCr and BDFTi), respectively thin films were prepared on Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100) substrates by using a chemical solution deposition method. The coated thin films were annealed at 550℃ for 30 min by using a conventional annealing process under a nitrogen atmosphere, and the changes in the microstructure and the electrical properties with doping were investigated. The thin films were well crystallized and randomly oriented, with no detectable impurity and secondary phases. The values of the remnant polarization (2P_r) and the coercive field (2E_c) of the BDFNi,BDFCr and BDFTi thin films were 38 μC/㎠ and 937 kV/cm, 39 μC/㎠ and 954 kV/cm, and 49 μC/㎠ and 1070 kV/cm at an electric field of 1000 kV/cm, respectively. The leakage current densities of the BFO, BDFNi, BDFCr and BDFTi thin films were 2.58× 10^-3 A/㎠, 8.62 × 10^-5 A/㎠, 1.91× 10^-5 A/㎠, and 5.71× 10^-5 A/㎠ at an electric field of 100 kV/cm, respectively. The dielectric constants of the BFO, BDFNi, BDFCr and BDFTi thin films were 121,130, 145, and 124 at a frequency of 1 kHz, respectively, and at the same frequency, the dielectric losses were 0.049, 0.042, 0.039, and 0.043, respectively. The improved electrical properties for the co-doped thin films could be explained by a reduction of oxygen vacancies due to the substitution of Dy and transition-metal (Ni,Cr, Ti) ions and the change in the microstructure.

국문 초록 (Abstract)

화학 용액 증착법으로 순수한 BiFeO_3 (BFO) 박막과 BiFeO_3의Bi^3+이온 일부를 Dy^3+ 으로 치환하고 Fe^3+이온 일부를Ni^2+, Cr^3+, Ti^4+이온으로 동시에 치환한(Bi_(0.9)Dy_(0.1))(Fe_(0.975)B_(0.025))O_(3±(B =Ni^2+, Cr^3+, Ti^4+, BDFNi, BDFCr, BDFTi라 함) 박막들을Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)기판 위에 성장시켜 박막의 구조와 전기적특성 변화를 측정, 비교 분석하였다. 성장시킨 박막들은 550℃의질소 분위기에서 통상적인 방법으로 열처리 하였다. 박막들은 잘결정화되어 있으며 어떤 축 방향으로도 정렬되어 있지 않았고 눈에 띄는이차상이나 불순물상도 발견되지 않았다. 외부 전기장이 1000 kV/cm 일때, BDFNi, BDFCr, BDFTi 박막에 대한 잔류 분극(2P_r)과항전기장(2E_c) 값은 각각 38 μC/㎠ 과 937 kV/cm, 36 μC/㎠과 954 kV/cm, 49 μC/㎠과 1070 kV/cm 이었다. 또외부 전기장이 100 kV/cm일 때 BFO와 BDFNi, BDFCr, BDFTi 박막의 누설전류 밀도는 각각 2.58 × 10^-3 A/㎠, 8.62×10^-5 A/㎠, 1.91 × 10^-5 A/㎠, 5.71 ×10^-5 A/㎠ 이었으며, 주파수가 1 kHz일 때 BFO와 BDFNi, BDFCr,BDFTi 박막의 유전율은 각각 121과 130, 145, 124 이었으며, 같은주파수에서 유전 손실은 각각 0.049, 0.042, 0.039, 0.043 이었다. 이와같이 동시 치환한 박막들이 좋은 전기적 특성을 보이는 것은 치환에의해서 산소 빈자리 수의 감소와 미세 구조의 변화가 일어났기때문이라고 보여진다.

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