Charged defects in BaTiO₃ thin films

The work presented here focuses on the study of doped BaTiO₃ (BTO) thin films deposited by magnetron sputtering. Due to its ferroelectric properties and its high dielectric permittivity, BTO is used as a tunable capacitor or also in non-volatile memories (FeRAM). Nevertheless, these properties are strongly degraded when deposed as thin films as a results of the extrinsic interface effects. The strategy adopted in this study to improve these dielectric properties was to control the charged defects at the interface by multilayered doped BTO thin films (Mn, Nb and La). Studies on monodoped thin films and multilayers have shown that the carefully designed interfaces lead to increasing relative permittivity of BTO thin films, contradicting the common belief that interfaces behave like dead layers. The use of different techniques such as Electron Paramagnetic Resonance (EPR), dielectric impedance and in particular X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Time-of-Fligh Secondary Ion Mass Spectroscopy (ToF-SIMS) have enabled us to relate the different physical and chemical aspects such as the Fermi level position and the defect chemistry at the interfaces of BTO multilayers. In addition, we have studied the particularities of the Fermi level position of Mn-doped layers. Charging phenomena or even surface photovoltage induce an artificial change in the Fermi level of the Mn-doped BTO when deposited on various substrates. Finally, we implemented a deposition technique using oxygen plasma which made it possible to lower the Fermi level position towards the valence band of Mn doped BTO.

In dieser Arbeit werden die Eigenschaften dotierter BaTiO₃ Dünnschichten behandelt, die mittels Magnetron-Kathodenzerstäubung hergestellt wurden. Durch die ferroelektrischen Eigenschaften des BaTiO₃ können diese für steuerbare Kondensatoren sowie in nicht-flüchtigen Speichern verwendet werden. Die Eigenschaften der mit Kathodenzerstäubung hergestellten Schichten sind jedoch wesentlich schlechter als die von keramischen Volumenmaterialien. Diese Arbeit verfolgte das Ziel die dielektrischen Eigenschaften der Schichten zu verbessern, indem Multilagen von mit unterschiedlich geladenen Defekten (Mn, Nb, La) hergestellt wurden. Der Vergleich der Multilagen zu den dotierten Einzelschichten ergab, dass die Permittivität durch das Einbringen der Grenzflächen erhöht werden kann. Dies steht dem allgemeinen Verständnis entgegen, dass Grenzflächen inaktive Schichten, sogenannte „deadlayers“ bilden. Die Schichten wurden mittels Röntgenbeugung (XRD), Photoelektronen-Spektroskopie (XPS, UPS), Elektronen-Spin-Resonanz (EPR), Impedanz-Spektroskopie, sowie Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) untersucht. Dadurch konnten verschiedene physikalische und chemische Größen, wie die Fermi-Energie und die Defekteigenschaften an den Grenzflächen untersucht werden. Insbesondere wurde die Lage des Fermi-Niveaus in den Mn-dotierten Schichten, die auf unterschiedlichen Substraten abgeschieden wurden, im Detail untersucht, um den Einfluss des Substrats auf Aufladungen und eventuelle Beeinflussungen der Messungen durch Photospannungen aufzuklären. Um die Grenzen des Fermi-Niveaus besser zu verstehen wurden auch Mn-dotierte Schichten mittels zusätzlicher Anwendung eines Sauerstoffplasmas abgeschieden. Dieses Verfahren wurde speziell für diese Arbeit entwickelt.