Efeitos condutivos e polares em filmes finos de óxidos complexos visando aplicação em memorias de múltiplos estados

Abstract

Esta pesquisa teve como objetivo analisar as propriedades polares, ferroelétricas, piezoelétricas, ópticas e magnéticas de filmes finos de BaBiO3 obtidos pelo método dos precursores poliméricos, variando as proporções de Ba/Bi. Para uma melhor designação das amostras, foram utilizados os seguintes códigos: (80/20) (BBO82), (50/50) (BBO55) e (30/70) (BBO37). As análises de Rietveld indicam a cristalização em estrutura romboédrica de BaBiO3 (grupo espacial R-3R), sem a presença de fases secundárias. As propriedades de deformação, dielétrica, ferroelétrica e piezoelétrica são fortemente influenciadas pela textura do filme. A amostra BBO55 exibe uma orientação preferencial ao longo do plano (341), sem imprint e gap de polarizações, apresentando altas respostas piezoelétricas (d33-eff ≈ 45,7 pm/V) e ferroelétricas (Pr ≈ 19,87 μC/cm2). As propriedades ópticas e magnéticas são dependentes das variações no tamanho do grão e dos tipos de vacâncias. Os resultados de fotoluminescência indicam a presença significativa de vacâncias de oxigênio e clusters [BiO5.V_o^.] na amostra BBO37, melhorando a razão Mr/Ms devido à morfologia em forma de placas. Este filme demonstra um comportamento superparamagnético devido à facilidade de alternância de domínios sob campo externo. A espectroscopia de fotoelétrons de raios X revela a interação entre Bi3+ e Bi5+, afetando a resposta magnética. A temperatura impacta a cristalização, morfologia, resistência à fadiga e corrente de fuga. A 800°C, o filme BBO55 apresenta uma estrutura granular em forma de placas, com corrente de fuga alinhada ao mecanismo denominado voltagem do limite de preenchimento por armadilhas (VTFL). Por outro lado, o filme BBO55 a 600°C exibe grãos arredondados, pouca porosidade e a teoria da condução em altos campos elétricos, bem descrita pelo mecanismo de condução limitada por carga espacial (SCLC). O desempenho superior a 600°C destaca-se pela elevada resistência à fadiga em 107 ciclos de polarização. Essas descobertas são pertinentes para o desenvolvimento de materiais polares livres de chumbo com potencial aplicação em dispositivos eletrônicos, tais como sensores de campo magnético, interruptores, atuadores, dispositivos de memória e spintrônica.

This research aims to analyze the polar, ferroelectric, piezoelectric, optical, and magnetic properties of thin films of BaBiO3 obtained through a polymeric precursor, while varying the Ba/Bi ratios. For better sample designations, the following codes were employed: (80/20) (BBO82), (50/50) (BBO55), and (30/70) (BBO37). Rietveld analyses indicate crystallization in a rhombohedral structure of BaBiO3 (R-3R space group), with no presence of secondary phases. Deformation, dielectric, ferroelectric, and piezoelectric properties are strongly influenced by the film texture. The BBO55 sample exhibits a preferred orientation along the (341) plane, without imprint and polarization gap, demonstrating high piezoelectric (d33-eff ≈ 45.7 pm/V) and ferroelectric (Pr ≈ 19.87 μC/cm2) responses. Optical and magnetic properties depend on variations in grain size and vacancy types. Photoluminescence results indicate significant oxygen vacancies and vacancy clusters [BiO_5.V_o^.] in the BBO37 sample, improving the Mr/Ms ratio due to plate-like morphology. This film displays superparamagnetic behavior due to domain switching ease under an external field. X-ray photoelectron spectroscopy reveals the interaction between Bi3+ and Bi5+, influencing the magnetic response. Temperature impacts crystallization, morphology, fatigue resistance, and leakage current. At 800°C, the BBO55 film exhibits a plate-like grain structure, with leakage current characterization aligned with the traps-filled limit voltage (VTFL) mechanism. On the other hand, the BBO55 film at 600°C shows rounded grains, low porosity, and theory of high field conduction, is well described by the space charge limited conduction (SCLC) mechanism. Superior performance above 600°C is highlighted by the high fatigue resistance over 107 switching cycles. These findings are relevant for the development of lead-free materials to be applied in electronics, such as magnetic field sensors, switches, actuators, memory devices, and spintronics.