Leakage currents in BiFeO3/ZnO composite film on sapphire

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методом магнетронного ВЧ-распыления синтезирована тонкая пленка BiFeO3 с буферным слоем ZnO на подложке лейкосапфира Al2O3 (C-plane). Исследованы структура и механизмы проводимости в тонкой пленке на основе вольтамперных характеристик и зависимостей тока утечки от времени воздействия постоянного напряжения. Показано, что в формировании токов утечки в пленке участвует более одного механизма проводимости. В области слабого электрического поля токи утечки контролируются омической проводимостью, при более сильном приложенном электрическом поле – эмиссией Шоттки или Пула–Френкеля.

Keywords

About the authors

S. A. Sadykov

Institute of Physics named after H. I. Amirhanov, DFIC of the Russian Academy of Sciences; Dagestan State University

Email: kallaev-s@rambler.ru
M. Yaragskogo St., 94, Makhachkala, 367015 Russia; M. Gadzhieva St., 43a, Makhachkala, 367000 Russia

G. M. Gadzhiev

Institute of Physics named after H. I. Amirhanov, DFIC of the Russian Academy of Sciences

Email: kallaev-s@rambler.ru
M. Yaragskogo St., 94, Makhachkala, 367015 Russia

S. N. Kallaev

Institute of Physics named after H. I. Amirhanov, DFIC of the Russian Academy of Sciences

Email: kallaev-s@rambler.ru
M. Yaragskogo St., 94, Makhachkala, 367015 Russia

T. N. Efendieva

Institute of Physics named after H. I. Amirhanov, DFIC of the Russian Academy of Sciences

Email: kallaev-s@rambler.ru
M. Yaragskogo St., 94, Makhachkala, 367015 Russia

N. M.-R. Alihanov

Institute of Physics named after H. I. Amirhanov, DFIC of the Russian Academy of Sciences; Dagestan State University

Email: kallaev-s@rambler.ru
M. Yaragskogo St., 94, Makhachkala, 367015 Russia; M. Gadzhieva St., 43a, Makhachkala, 367000 Russia

A. V. Pavlenko

Federal Research Center Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kallaev-s@rambler.ru
Chekhov Ave., 41, Rostov-on-Don, 344006 Russia

References

  1. Wang J., Neaton J.B., Zheng H., Nagarajan V., Ogale S.B., Liu B., Viehland D., Vaithyanathan V., Schlom D.G., Waghmare U.V., Spaldin N.A., Rabe K.M., Wuttig M., Ramesh R. Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures // Science. 2003. V. 299. № 5613. P. 1719–1722. https://doi.org/10.1126/science.1080615
  2. Yakout S.M. Spintronics and innovative memory devices: a review on advances in magnetoelectric BiFeO3 // J. Supercond. Novel Magn. 2021. V. 34. № 2. P. 317–338. https://doi.org/10.1007/s10948-020-05764-z
  3. Spaldin N.A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nat. Mater. 2019. V. 18. № 3. P. 203–212. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0275-2
  4. Babalola A.V., Oluwasusi V., Owoeye V.A. et al. Effect of tin concentrations on the elemental and optical properties of zinc oxide thin films // Heliyon. 2024. V. 10. № 1. Р. e23190. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e23190
  5. Dong W., Guo Y., Guo B., Liu H., Li H., Liu H. Photovoltaic properties of BiFeO3 thin film capacitors by using Al-doped zinc oxide as top electrode // Mater. Lett. 2013. V. 91. P. 359–361. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.10.031
  6. Rajalakshmi R., Kambhala N., Angappane S. Enhanced magnetic properties of chemical solution deposited BiFeO3 thin film with ZnO buffer layer // Mater. Sci. Eng., B. 2012. V. 177. № 11. P. 908–912. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2012.04.014
  7. Wu J., Wang J. Diodelike and resistive hysteresis behavior of heterolayered BiFeO3/ZnO ferroelectric thin films // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. № 9. P. 094107. https://doi.org/10.1063/1.3500498
  8. Wu J., Lou X., Wang Y., Wang J. Resistive hysteresis and diodelike behavior of BiFeO3/ZnO heterostructure // Electrochem. Solid-State Lett. 2010. V. 13. № 2. Р. G9–G12. https://doi.org/10.1149/1.3264093
  9. You T., Du N., Slesazeck S., Mikolajick T., Li G., Bürger D. et al. Bipolar electric-field enhanced trapping and detrapping of mobile donors in BiFeO3 memristors // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. P. 19758–19765. https://doi.org/10.1021/am504871g
  10. Guo Y., Guo B., Dong W., Li H., Liu H. Evidence for oxygen vacancy or ferroelectric polarization induced switchable diode and photovoltaic effects in BiFeO3 based thin films // Nanotechnology. 2013. V. 24. P. 275201. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/27/ 275201
  11. Yin K., Li M., Liu Y., He C., Zhuge F., Chen B., Lu W., Pan X., Li R.-W. Resistance switching in polycrystalline BiFeO3 thin films. // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 042101. https://doi.org/10.1063/1.3467838
  12. Shen W., Bell A., Karim, S., Reaney I. M. Local resistive switching of Nd-doped BiFeO3 thin films // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 133505. https://doi.org/10.1063/1.3701270
  13. Wu L., Jiang C., Xue D. Resistive switching in doped BiFeO3 films // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. P. 17D716. https://doi.org/10.1063/1.4865217
  14. Садыков С.А., Каллаев С.Н., Эмиров Р.М., Алиханов Н.М.-Р. Электрические свойства керамики BiFeO3, легированной Sm // Физика твердого тела. 2023. Т. 65. № 10. С. 1727–1737. https://doi.org/ 10.61011/FTT.2023.10.56320.149.
  15. Auromun K., Choudhary R. N. P. Structural, dielectric and electrical behavior of Bi0.85Tm0.15FeO3 ceramic // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 16. P. 20762–20773. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.062
  16. Thansanga L., Shukla A., Kumar N., Choudhary R.N.P. Structural, dielectric, impedance and ferroelectric properties of lead-free Bi(Fe0.85Dy0.15)O3 ceramic // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2021. V. 32. № 16. P. 21337–21349. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06636-5
  17. Mumtaz F., Khan M.H., Jaffari G.H. Correlation between the composition, phase, band structure, ferroelectric and leakage responses of Bi1−xBaxFe1−yTiyO3 thin films // Thin Solid Films. 2022. V. 758. P. 139448. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2022.139448
  18. Pabst G.W., Martin L.W., Chu Y.H., Ramesh R. Leakage mechanisms in BiFeO3 thin films // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. № 7. https://doi.org/10.1063/1.2535663
  19. Makhdoom A.R., Akhtar M.J., Rafiq M.A., Hassan M.M. Investigation of transport behavior in Ba-doped BiFeO3 // Ceram. Int. 2012. V. 38. № 5. P. 3829–3834. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.01.032
  20. Подгорный Ю.В., Воротилов К.А., Сигов А.С. Токи утечки в тонких сегнетоэлектрических пленках // Физика твердого тела. 2012. Т. 54. № 5. С. 859–862.
  21. Гаджиев Г.М., Рамазанов Ш.М., Абакарова Н.С., Эфендиева Т.Н. Влияние внешнего поля и температуры на временную эволюцию тока утечки в пленочной структуре BiFeO3/TiO2(Nt)Ti // Физика твердого тела. 2024. Т. 66. № 2. С. 259–265. https://doi.org/10.61011/FTT.2024.02.57249.227
  22. Fukumura H., Harima H., Kisoda K., Tamada M., Noguchi Y., Miyayama M. Raman scattering study of multiferroic BiFeO3 single crystal // J. Magn. Magn. Mater. 2007. 310. P. 367–369. https://doi.org/10.1016/J.JMMM.2006.10.282
  23. Bielecki J., Svedlindh P., Tibebu D.T., Cai S., Eriksson S.G., Börjesson L., Knee C.S. Structural and magnetic properties of isovalently substituted multiferroic BiFeO3: insights from Raman spectroscopy // Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2012. V. 86. P. 184422. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.86.184422
  24. Iliev M.N., Litvinchuk A.P., Hadjiev V.G., Gospodinov M.M., Skumryev V., Ressouche E. Phonon and magnon scattering of antiferromagnetic Bi2Fe4O9 // Phys. Rev. B: Condens. Matter. Mater. Phys. 2010. V. 81. P. 024302. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.81.024302
  25. Alikhanov N.M.R., Rabadanov M.K., Orud- zhev F.F., Gadzhimagomedov S.K., Emirov R.M., Sadykov S.A., Kallaev S.N., Ramazanov S.M., Abdulvakhidov K.G., Sobola D. Size-dependent structural parameters, optical, and magnetic properties of facile synthesized pure-phase BiFeO3 // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2021. V. 32. Р. 13323–13335. https://doi.org/10.1007/S10854-021-05911-9
  26. Friedrich A., Biehler J., Morgenroth W., Wiehl L., Winkler B., Hanfland M., Tolkiehn M., Burianek M., Mühlberg M. High-pressure phase transition of Bi2Fe4O9 // J. Phys.: Condens. Matter. 2012. V. 24. P. 145401. https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/14/145401
  27. Chen H., Tsaur S., Lee J.Y. Leakage current characteristics of lead-zirconate-titanate thin film capacitors for memory device applications // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. № 7R. P. 4056. https://doi.org/10.1143/JJAP.37.4056
  28. Liu J.P., Lv Z.L., Hou Y.X., Zhang L.P., Cao J.P., Wang H.W., Zhao W.B., Zhang C., Bai Y., Meng K.K., Xu X.G., Miao J. Substantial reduction of leakage currents in La/Er/Zn/Ti multielement-doped BiFeO3 multiferroic thin films // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 12. P. 17328–17334. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.02.295
  29. Удод Л.В., Аплеснин С.С., Ситников М.Н., Романова О.Б. Исследование магнитоэлектрического эффекта и термоэдс в композитном железозамещенном пиростаннате висмута Bi2(Sn0.7Fe0.3)2O7/Bi2Fe4O9 // Физика твердого тела. 2023. Т. 65. № 8. С. 1361–1367. https://doi.org/10.21883/FTT.2023.08.56154.83
  30. Yang T., Wei J., Guo Y., Lv Z., Xu Z., Cheng Z. Manipulation of oxygen vacancy for high photovoltaic output in bismuth ferrite films // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. № 26. P. 23372–23381. https://doi.org/10.1021/acsami.9b06704
  31. Yan F., Miao S., Sterianou I., Reaney I.M., Lai M.O., Lu L., Song W.D. Multiferroic properties and temperature-dependent leakage mechanism of Sc-substituted bismuth ferrite–lead titanate thin films // Scr. Mater. 2011. V. 64. № 5. P. 458–461. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.11.015
  32. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высш. шк., 1977. С. 276, 309.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».