Faasirakenteen ja pinnan morfologian vaikutukset nanokiteisen PZT ohutkalvon optisiin ominaisuuksiin

Perovskiittirakenteeseen pohjautuvia ferrosähköisiä ohutkalvoja voidaan hyödyntää monissa sovelluksissa niiden erinomaisten toiminnallisten ominaisuuksien johdosta. Ferrosähköisten materiaalien sähköiset, sähkömekaaniset ja optiset ominaisuudet mahdollistavat niiden käytön laajasti mikroelektroniikassa, nanoteknologiassa ja mikrofotoniikassa. Näillä teknologian alueilla ohutkalvot ovat toimineet mm. antureina, aaltoputkina, kytkiminä, siirtiminä ja muistisoluina. Viimeaikoina perovskiittirakenteiset materiaalit ovat löytäneet paikkansa myös aurinkokennosovelluksissa, joiden hyötysuhteet ovat nousseet kilpailemaan perinteisten Si- ja GaAs-kennojen tasolle. Keskeinen haaste lähitulevaisuudessa onkin näiden rakenteiden integrointi perinteisille teknologia-alustoille mikroelektroniikan ja fotoniikan komponenttien ja aurinkokennojen toiminnallisuuden, integrointiasteen ja hyötysuhteen kasvattamiseksi.

Tämä väitöstyö tarkastelee pulssilaserkasvatuksella huoneenlämpötilassa kasvatettujen perovskiittirakenteisten nanokiteisten PNZT ohutkalvojen optisten ominaisuuksien riippuvuutta niiden faasirakenteesta, orientaatiosta ja pinnan morfologiasta. Keskittyminen rakenteiden yksityiskohtaiseen tarkasteluun on olennaista, koska ohutkalvorakenteiden ominaisuudet ovat huomattavasti erilaiset kuin vastaavissa makroskooppisissa kappaleissa. Ohutkalvojen faasirakennetta, orientaatiota, raekokojakaumaa ja pinnan morfologiaa voidaan säädellä muuttamalla kasvatusparametrejä ja siten muokata ohutkalvorakenne haluttuun sovellukseen sopivaksi.

Muutokset ohutkalvojen faasirakenteessa, raekokojakaumassa ja pinnan morfologiassa määrittivät täysin kalvojen optiset ominaisuudet ja niiden optisen sirontaspektrin yksityiskohdat aaltolukuavaruudessa. Optinen absorptioreuna siirtyi alemmille aallonpituuksille kalvon paksuuden ja jälkihehkutuslämpötilan pienentyessä, aiheuttaen energiaraon kasvun (ΔEg ≈ 0.55 eV). Pienen amplitudin ja tasaisesti aaltolukuavaruudessa jakaantunut sirontaspektri ja alhainen diffuusi sironta (TD ≈ 5%) oli ominaista yksifaasisille, voimakkasti orientoituneille ja pinnan laadultaan tasaisille ohutkalvoille (Rq < 10 nm). Suuren amplitudin ja alhaisille aaltolukuarvoille rajoittunut sirontaspektri ja lisääntynyt diffuusi sironta (TD ≈ 50%) oli ominaista kaksifaasisille ja siten pinnan laadultaan karheille ohutkalvoille (Rq > 25 nm). Sirontaominaisuudet analysoitiin mittaamalla ja teoreettisesti mallintamalla. Mallintamisessa käytettiin skalaaria sirontateoriaa, jossa ohutkalvon pinnan morfologian ajatellaan toimivan hilana. Ero mitattujen ja mallinnettujen arvojen välillä oli maksimissaan 3.8 prosenttia. Muutokset ohutkalvojen pinnan morfologiassa ja faasirakenteessa havaittiin myös moduloivan optisen TE0-moodin puoliarvoleveyttä. Alhaisimmat puoliarvoleveydet havaittiin yksifaasisilla, voimakkaasti orientoituneilla (Δβ ≈ 0.0048) ja amorfisenkaltaisilla (Δβ ≈ 0.0006) ohutkalvoilla.