xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5)U c lT c l8 ý < g º õ m Í P ê s– ¥ ¹ Å — ¤V R Ë

xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5)U c lT c l8 ý < g º õ m Í P ê s– ¥ ¹ Å — ¤V R Ë

|

¡î m g ` @ ·  ™ » . > 4 w H ·  ™ »„ ç ¡¬ £

‚

½ Ó" é ¶ @ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , ‚ ½ Ó" é ¶ 641-773

ö

¶ B? - ! H

‚

½ Ó" é ¶ @ /† < Ɠ §
” ¸ ’  ™ èF  / B N † < Æ Ò, ‚ ½ Ó" é ¶ 641-773

L |( å , Û o

Â

Ò â @ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ ,  Òí ß – 608-737

(2010¸   1 Z 4 28{ 9  ~ à Î6 £ §, 2010¸   2 Z 4 26{ 9  à º& ñ ‘ : r ~ à Î6 £ §, 2010¸   5 Z 4 11{ 9  > F  S X ‰& ñ )



o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O `  ¦ s 6   x # Œ Pt(111)/Ti/SiO

2

/Si(100) l ó ø Í 0 A\  300 nm ¿ ºa _  xBiFeO

3

-(1- x)Na

0.5

Bi

4.5

Ti

4

O

15

(x=0.5 BFO-NaBTi55) ~ à Ì} Œ •`  ¦ $ í  © œr &  ~ à Ì} Œ •_  p [ j½ ¨› ¸ü < y © œÄ »„   : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤

&

ñ , q “ § ì  r$ 3  % i  . $ í  © œ  ) a ~ à Ì} Œ •“ É r 650

^◦

C _  í ß –™ è ì  r 0 Al \ " f / å L5 Å q \ P % ƒo  Z O Ü ¼– Ð \ P % ƒo  % i Ü ¼ 9

~ Ã

Ì} Œ •_    & ñ  o  © œI ü < p [ j½ ¨› ¸  H x-‚    r] X  © œu , Å Ò  „    ‰ & ³p  â 8 £ ¤& ñ   õ – РÒ'  · ú ˜  ˜ Ѐ Œ ¤ . s 

~ Ã

Ì} Œ •_  y © œÄ »„   : £ ¤$ í \ " f ü @Â Ò „  l  © œ 667 kV/cm{ 9  M : BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ •_  ï ß –À Ó ì  rF G (2P

r

) õ  † ½ Ó

„

 l  © œ (2E

c

) ° ú כ“ É r y Œ •y Œ • 76 µC/cm

²

, 403 kV/cm s % 3 Ü ¼ 9 1 kHz\ " f Ä »„  Ö  ¦ õ  Ä »„  ’ < Hz  ´“ É r y Œ •y Œ • 756, 0.03 s % 3  . ¢ ¸ ü @Â Ò „  l  © œ 100 kV/cm{ 9  M : ¾ º[ O „  À Ó x 9 • ¸  H 5.1×10

⁻⁶

A/cm

²

s % 3 Ü ¼ 9 1.44×10

¹⁰

  t

 15 % s  _  x – Ð ‰ & ³ © œ`  ¦ ˜ Ð% i  . BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ •s  a % ~“ É r „  l & h  : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs   H  כ “ É r q Û ¼Á º Û

¼ 6 fµ 1 Ï\  _ ô  Ç q Û ¼Á ºÛ ¼ ‘   o 
 í ß –™ è ‘   o _  y Œ ™™ è M :ë  H s  “ ¦ ˜ Ð# Œ”   .

Ù þ

˜d ” # Q: BiFeO

3

-Na

0.5

Bi

4.5

Ti

4

O

15

~ à Ì} Œ •,  o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O , p [ j½ ¨› ¸, y © œÄ »„   : £ ¤$ í

Preparation and Ferroelectric Properties of xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) Thin Films

Dal Hyun Do · Jin Won Kim · Sang Su Kim ^∗

Department of Physics, Changwon National University, Changwon 641-773

Tae Kwon Song

School of Nano and Advanced Materials Engineering, Changwon National University, Changwon 641-773

Byung Chun Choi

Department of Physics, Pukyong National University, Busan 608-737 (Received 28 January, 2010 : revised 26 February, 2010 : accepted 11 May, 2010)

We prepared a 300 nm-thick xBiFeO

3

-(1-x)Na

0.5

Bi

4.5

Ti

4

O

15

(x=0.5 BFO-NaBTi55) film on a Pt(111)/Ti/SiO

2

/Si(100) substrate by using a chemical solution deposition method. The thin film was annealed at 650

^◦

C for 3 min by using a rapid thermal annealing process under an oxygen

-538-

atmosphere. The crystal structure and the surface microstructure of the thin film were investigated by using X-ray diffraction and scanning electron microscopy, respectively. The remnant polarization (2P

r

) and the coercive field (2E

c

) of the BFO-NaBTi55 thin film were 76 µC/cm

²

and 403 kV/cm at an applied electric field of 667 kV/cm, respectively. The dielectric constant and the dielectric loss were 756 and 0.03 at 1 kHz, respectively, the leakage current density of the thin film was 5.1×10

⁻⁶

A/cm

²

at 100 kV/cm. The switchable polarization of the thin film was decreased by 15% after 1.44×10

¹⁰

switching cycles. The good ferroelectric properties observed in the BFO-NaBTi55 thin film may be related to reductions in the number of bismuth vacancies and oxygen vacancies.

PACS numbers: 77.84.-s

Keywords: BiFeO

3

-Na

0.5

Bi

4.5

Ti

4

O

15

thin films, Chemical solution deposition, Microstructure, Ferroelectric properties

I. " e  ] Ø

1960¸  @ / œ í Ò'  ½ ¨› ¸ü < $ í | 9 s  · ú ˜ 9t “ ¦ ƒ  ½ ¨÷ &# Q

“

: r BiFeO 3 (BFO)  H y © œÄ »„  $ í õ  (ì ø Í)y © œ $ í s  / B N” > r 



 H  y © œ^ ‰ Ó ü t| 9 – Ð+ ‹   É r é ß –{ 9  © œ  y © œ^ ‰ Ó ü t| 9 [ þ t \  q K  y ©

œÄ »„   © œ\ " f  © œÄ »„   © œÜ ¼– Ð „  s    H “ : r • ¸“   Curie“ : r

•

¸(T c =1103K) ü < (ì ø Í)y © œ $ í \ " f  © œ $ í Ü ¼– Ð „  s    H

“

: r • ¸“   N´eel“ : r • ¸(T ⁿ =643K)   © œ@ /& h Ü ¼– Ð Z  }  .   " f

 ©

œ“ : r \ " f ™ è – Ð+ ‹_  s 6   x 0 p x$ í s  Z  }   þ j   H › ' a d ” s  Z

 }  t “ ¦ e ”   H q 6 fµ 1 Ï$ í y © œÄ »„  ^ ‰ B j— ¸o  ™ è 
 Û ¼— 2 ; à

Ԗ Ð_ ” Û ¼, y Œ •7 á x G ' p" f 1 p x _  6 £ x6   x`  ¦ 0 Aô  Ç ƒ  ½ ¨  Å Ò  Ö ¸ µ 1 Ï y

 ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ”   [1]. Õ ª Q
 s  Qô  Ç l @ /\ • ¸ Ô  ¦ ½ ¨ 

“

¦ BFO ? /\  ” > r F    H Fe ²⁺ s “ : r s 
 í ß –™ è ‘   o , ³ ð

€

  © œI  1 p x \  _ ô  Ç  H ¾ º[ O „  À Óü <  Œ •“ É r y © œÄ »„   : £ ¤$ í 1 p x“ É r BFO \  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨
 6 £ x6   x \   H  © œE  ÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9 s \  ¦

>

h‚    9  H ´ ú §“ É r ƒ  ½ ¨ s À Ò# Qt “ ¦ e ”   [2,3].

s

   ƒ  ½ ¨ ×  æ \ " f : £ ¤ y  ´ ú §s  s À Ò# Qt “ ¦ e ”   H  כ “ É r BFO\  ¦ í ß – oÓ ü t 0 A\  & Á ú ¢l (epitaxial growth)   H ~ ½ ÓZ O  [4] õ  BFO ? /_  Bi ³⁺
 Fe ³⁺ s “ : r`  ¦ Cr ³⁺ , La ³⁺ , Nd ⁵⁺ , Mn ³⁺ , Ti ⁴⁺ s “ : r 1 p x Ü ¼– Ð { 9 Â Ò u  ¨ 8 Š   H ~ ½ ÓZ O  [3, 5, 6],



 É r y © œÄ »„  ^ ‰ü <_   8 £ x ~ à Ì} Œ •`  ¦ + þ A$ í r v   H ~ ½ ÓZ O  [7, 8]

1 p

x s  e ” Ü ¼ 9 þ j   H \   H   É r ` …– ÐÚ ÔÛ ¼ s à Ô y © œÄ »„  ^ ‰
 q

Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »„  ^ ‰ ¢ ¸  H y © œ $ í ^ ‰ 1 p x õ  “ ¦6   x ^ ‰

\

 ¦ + þ A$ í r v   H ~ ½ ÓZ O s  r • ¸÷ &“ ¦ e ”   H X < ‘ : r z  ´+ « >z  ´\ " f



 H BiFeO 3 ü < Bi 4 Ti ₃ O ₁₂
 SrBi 4 Ti ₄ O ₁₅ 1 p x õ _  “ ¦6   x ^ ‰

~ Ã

Ì} Œ •\  @ /ô  Ç : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ , ì  r$ 3  % i “ ¦ [9,10] BaTiO ³
 PbTiO 3 1 p x õ _  “ ¦6   x ^ ‰\  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨• ¸ ´ ú §s  ”  ' Ÿ ÷ &“ ¦ e ” 



 [11,12].

BFO ü < “ ¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A$ í   H q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »

„

 ^ ‰  H { 9 ì ø Íd ”  (Bi ₂ O 2 ) ²⁺ (A m−1 B m O 3m+1 ) ²⁻ – Ð ³ ð‰ & ³÷ &

9 # Œl " f A- o \   H K ⁺ , Na ⁺ , Sr ²⁺ , Bi ³⁺ 1 p x _  1,

∗

E-mail: [email protected]

2, 3  s “ : r s , B- o \   H Ti ⁴⁺ , Ta ⁵⁺ , Nb ⁵⁺ , W ⁶⁺

1 p

x _  4, 5, 6 s “ : r s  t  “ ¦ m“ É r 8 £ x ½ ¨› ¸ ? / Bi 2 O 2 8 £ x  s \  e ”   H BO 6 ¼ 1 π  ^ ‰_  à ºs   (m = 1∼6) [13, 14]. s  Qô  Ç q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »„  ^ ‰\   H Bi ₂ MoO ₆ (m=1), SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ (m=2), Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (m=3), SrBi ₄ Ti ₄ O ₁₅ (m=4), Sr ₂ Bi ₄ Ti ₅ O ₁₈ (m=5), Sr ₃ Bi ₄ Ti ₆ O ₂₁ (m=6) 1 p x s  e ”   [13,14].

Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (NaBTi)  H SrBi 4 Ti 4 O 15 ü < q 5 p w ô  Ç

½

¨› ¸\  ¦ ° ú   H „  + þ A& h “   q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »„  ^ ‰– Ð A-



o \  Na ⁺ ü < Bi ³⁺ s “ : r s , B- o \   H Ti ⁴⁺ s “ : r s  0 A u

  9 m=4s  . þ j   H, s  y © œÄ »„  ^ ‰\  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨ F G y

 { 9  Ò\ " f r  Œ •÷ &% 3   H X < NaBTi  H Ç ©o  “ : r • ¸ 928K s

 9 ü @Â Ò „  l  © œ 140 kV/cm{ 9  M : NaBTi[ j b ”  r « Ñ _

 ï ß –À Ó ì  rF G (2P r )“ É r 21 µC/cm ² s   [15,16]. Õ ª Q
 NaBTi ~ à Ì} Œ •\  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨  H  _  s À Ò# Q4 Re ” t  · ú § .

‘

: r ƒ  ½ ¨\ " f  HBiFeO 3 ü < q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »„  

^

‰“   Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 \  ¦ “ ¦6   x ^ ‰– Ð   H xBiFeO 3 -(1- x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) ~ à Ì} Œ •`  ¦  o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O Ü ¼

–

Ð ] j› ¸ “ ¦ Õ ª p [ j½ ¨› ¸ü < „  l & h  : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ , q “ § ì  r

$ 3  % i  .

II. ÷ m Ç] M ö U ê s0 n É



o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O Ü ¼– Ð Pt(111)/Ti/SiO ² /Si(100) l  ó

ø Í 0 A\  xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5, BFO- NaBTi55) ~ à Ì} Œ •`  ¦ $ í  © œr (   . ~ à Ì} Œ •`  ¦ ] j› ¸ l  0 Aô  Ç Ø  ¦ µ

1 Ï Ó ü t| 9 – Ѝ  H ™ è´ o u | 9 í ß –% i  [NaNO ₃ ] õ  q Û ¼Á ºÛ ¼ | 9 í ß –% i  [Bi(NO ₃ ) ₃ ◦5H ₂ O], ^ o = | 9 í ß –% i  [Fe(NO ₃ ) ₃ ◦9H ₂ O], w  ³ o u s

™ è á Ԗ Ð; Ÿ ¤  s × ¼ [Ti(OC ³ H 7 )]\  ¦  6   x % i “ ¦ 6   x B – Ð



 H 2- B j: Ÿ ¤ r  \ ò ø Í`  ¦ [CH 3 OCH 2 CH 2 OH] (2-MOE) õ    [

jh Ë : í ß – [CH ³ CO 2 H]`  ¦  6   x % i  . ¢ ¸ F K5 Å q · ú ˜9  q  s × ¼ _

 î ß –& ñ  o\  ¦ 0 Aô  Ç ~  ´Y Us h A \ s „  à Ԗ Ð  [ j 9   [ j— : r

[CH 3 COCH 2 COCH 3 ]`  ¦ ' ‘  % i  .

Fig. 1. X-ray diffraction pattern of xBiFeO 3 -(1- x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.

40 ^◦ C _  2-MOE 6   x B \  ™ è´ o u | 9 í ß –% i `  ¦ V , “ ¦ 30ì  r & ñ • ¸

“

§ì ø Íô  Ç Ê ê  [ jh Ë : í ß –`  ¦ ' ‘  # Œ 30ì  r & ñ • ¸  8 “ §ì ø Í % i 



. # Œl \  q Û ¼Á ºÛ ¼ | 9 í ß –% i õ  ^ o = | 9 í ß –% i `  ¦ V , “ ¦ 1r ç ß – 30ì  r 1 l x î ß – “ §ì ø Í # Œ ™ è´ o u- q Û ¼Á ºÛ ¼-^ o = 6   xÓ  o`  ¦ ] j› ¸ % i 



. ô  Ǽ # , w  ³ o u 6   xÓ  o“ É r | 9 ™ è ì  r 0 Al _  / å J – ÐÚ Ô ~ à ÌÛ ¼\ 

"

f ] j› ¸ % i   H X <,  © œ“ : r \ " f 2-MOEü <  [ j 9   [ j— : r`  ¦ [ O

# Q 30ì  r 1 l x î ß – “ §ì ø Íô  Ç 6   xÓ  o\  w  ³ o u s ™ è á Ԗ Ð; Ÿ ¤  s 

×

¼\  ¦ V , “ ¦ 1r ç ß – 30ì  r 1 l x î ß –  8 “ §ì ø Í % i  . s X O >  ë ß –Ž  H w

 ³ o u 6   xÓ  o`  ¦ “ §ì ø Í×  æ“   ™ è´ o u- q Û ¼Á ºÛ ¼-^ o = 6   xÓ  o\  …  ;…  ; y

 b  # Qä ¼ 9 3r ç ß – 1 l x î ß – “ §ì ø Í # Œ 0.1 M 0 l x • ¸_  ~ à Ì} Œ • ] j

›

¸6   x 6   xÓ  o`  ¦ ] j› ¸ % i  .

]

j› ¸ô  Ç 6   xÓ  o`  ¦ s 6   x ô  Ç Û ¼— 2 ;  ïh A“ É r 3500 rpm \ " f 25œ í 1

l

x î ß – r ' Ÿ  % i   H X < s  ~ à Ì} Œ •`  ¦ 200, 350 ^◦ C _  \ P ó ø Í 0 A\ " f y

Œ

•y Œ • 5ì  r 1 l x î ß – | › ¸ # Œ Ä »l Ó ü t`  ¦ 7 £ x µ 1 Ïr (  “ ¦ s  õ & ñ `  ¦ 15  r ì ø Í4 Ÿ ¤ % i  . s X O >  ] j› ¸  ) a ~ à Ì} Œ •“ É r / å L5 Å q \ P % ƒo   © œ u

(RTA)\  ¦ s 6   x # Œ 500 ^◦ C _  í ß –™ è ì  r 0 Al \ " f 3ì  r 1 l x î

ß – \ P % ƒo  % i Ü ¼ 9   & ñ  o\  ¦ 0 Aô  Ç \ P % ƒo   H RTA\  ¦ s  6

 

x # Œ 650 ^◦ C _  í ß –™ è ì  r 0 Al \ " f 3 ì  r 1 l x î ß – r ' Ÿ  % i  .

~ Ã

Ì} Œ •_    & ñ  oü < ³ ð€    © œI , ¿ ºa  1 p x`  ¦ › ' a ¹ 1 Ï l  0 AK 

"

f x-‚    r] X  © œu  (XRD, Philips, X’pert MPD 3040 sys- tem) ü < Å Ò  „    ‰ & ³p  â (SEM, Tescan, MIRA II LMH)

`

 ¦  6   x % i  . ¢ ¸ ~ à Ì} Œ •_  „  l & h  : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ l  0 A

# Œ s “ : r Û ¼( ' a AZ O Ü ¼– Ð 1.54×10 ⁻⁴ cm ² _  €  & h `  ¦ ° ú 



 H Ñ þ ˜F K(Pt) „  F G`  ¦ 7 £ x ‚ à Ìr &  ¨ î ' Ÿ ó ø Í » ¡ ¤„  l \  ¦ ë ß –[ þ t% 3 



. s  » ¡ ¤„  l _  „  l & h  : £ ¤$ í “ É r y © œÄ »„  $ í _ …Û ¼'  (Radi- ant Technologies Inc., Precision LC) ü < LF e ” x ~  Û ¼  © œ u

 (HP 4192A), p ™ è „  À Ó>  (Keithley, 6517A)\  ¦ s 6   x

# Œ 8 £ ¤& ñ % i  .

Fig. 2. SEM images of (a) surface morphology and (b) cross-section of xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.

III. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

Figure 1“ É r  o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O Ü ¼– Ð ] j› ¸  ) a xBiFeO 3 - (1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5, BFO-NaBTi55) ~ à Ì} Œ •_ 

 

& ñ ½ ¨› ¸\  ¦ x-‚    r] X  Á º] (\  ¦ : Ÿ x K  ì  r$ 3 ô  Ç   õ s  .

Õ

ªa Ë >\ " f% ƒ! 3  8 £ ¤& ñ  ) a  r] X  x ß ¼  H SrBi 5 Ti 4 FeO 18  © œ [17] \    H   # Œ x 9  Q t à º\  ¦ ³ ðr  % i  . Õ ª s Ä »  H ‘ : r z 

´+ « >\   6   x ) a BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « э  H “ ¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A

$ í

# Œ é ß –{ 9  © œÜ ¼– Ð ” > r F ½ + É  כ Ü ¼– Ð \ V © œ÷ &
 BiFeO ³ ü <

Na _0.5 Bi _4.5 Ti ₄ O ₁₅ _  “ ¦6   x ^ ‰ (Na 0.5 Bi _5.5 Ti ₄ FeO ₁₈ )  H   f ”

 · ú ˜ 9”     \ O  .   " f Ä »  ½ ¨› ¸\  ¦ ° ú   H SrBi ₅ Ti ₄ FeO ₁₈  © œ`  ¦ l ì ø ÍÜ ¼– Ð   & ñ ½ ¨› ¸\  ¦ ì  r$ 3  % i  .

ô

 Ǽ #  2θ y Œ •• ¸ 30 ^◦ ü < 35 ^◦   H ~ ½ Ó\  “*”– Ð ³ ðr ô  Ç s   © œs 

 z Œ ¤  H X < s  כ “ É r Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15   & ñ  © œ{ 9   כ Ü ¼– Ð



« Ñ÷ & 9 Na 0.5 Bi _4.5 Ti ₄ O ₁₅  ¢ - a„  y  “ ¦6   x ÷ &t  · ú §“ É r  כ Ü

¼– Ð ˜ Ð# Œ”   .

~ Ã

Ì} Œ •_  ³ ð€   p [ j½ ¨› ¸  H Õ ª ~ à Ì} Œ •_  „  l & h  $ í | 9 \   H

% ò

† ¾ Ó`  ¦ Å Ò>  ÷ & 9 Fig. 2   H 650 ^◦ C _  í ß –™ è ì  r 0 Al \ " f \ P 

%

ƒo   ) a BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  ³ ð€   p [ j½ ¨› ¸ü < é ß –

€

 `  ¦ Å Ò  „    ‰ & ³p  â Ü ¼– Ð › ' a ¹ 1 Ïô  Ç   õ [ þ t s  . Õ ªa Ë >\ 

"

f BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  ³ ð€  “ É r ° ú ˜ f ” s  \ O s  z Œ —

· ú

˜(grain) [ þ t s  “ ¦Ø Ô>  ì  r Ÿ í÷ &# Q e ” 6 £ §`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” Ü ¼ 9 z Œ —· ú ˜ [ þ t _  ß ¼l   H @ /| Ä Ì 200 nm& ñ • ¸e ” `  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” 

%

3  . ¢ ¸ô  Ç ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  é ß –€    ”  Ü ¼– РÒ'  650 ^◦ C _  í ß –

™

è ì  r 0 Al \ " f \ P % ƒo   ) a BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  ¿ º a

  H €  • 300 nm s % 3  .

~ Ã

Ì} Œ • r « Ñ_  y © œÄ »„   : £ ¤$ í `  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 AK " f „  l  © œ

\

 @ /ô  Ç „  l  ì  rF G (P-E) s § 4 / B G‚  `  ¦ 1.25 kHz  Œ ™y Œ • „  

· ú

š ` O Û ¼– Ð 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9 Õ ª   õ \  ¦ Fig. 3 \ 
 ? /% 3 



. Õ ªa Ë >`  ¦ ˜ Ѐ   · ú ˜ à º e ” 1 p w s  ü @Â Ò „  l  © œ_  ß ¼l  7 £ x

½ + É M : ï ß –À Ó ì  rF G (2P r ) õ  † ½ ӄ  l  © œ (2E ^c ) s  ° ú  s  7 £ x 

†

< Ê`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” % 3 Ü ¼ 9 ü @Â Ò „  l  © œs  667 kV/cm{ 9  M

: 2P ^r õ  2E ^c ° ú כ“ É r y Œ •y Œ • 76 µC/cm ² , 403 kV/cm s % 3  .

s

 2P r ° ú כ“ É r Pt/TiO 2 /SiO ₂ /Si l ó ø Í 0 A\  a % ¦- 0 qZ O Ü ¼– Ð $ í



© œr †   BiFeO ₃ -Bi 4 Ti 3 O 12 , BiFeO 3 -SrBi 4 Ti 4 O 15 “ ¦6   x ^ ‰

Fig. 3. (a) Polarization-electric field hysteresis loops and (b) 2P r and 2E c as a function of electric fields of the xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.

Fig. 4. Leakage current density of xBiFeO 3 -(1- x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.

~ Ã

Ì} Œ •\  @ /ô  Ç 36, 33 µC/cm ² ° ú כs 
 [9,10] a % ¦- 0 qZ O Ü ¼– Ð

$ í

 © œr †   BiFeO ₃ -PbTiO 3 ~ à Ì} Œ •\  @ /ô  Ç 36 µC/cm ² ° ú כ ˜ Ð



  H ° ú כs   [12]. Fig. 3_   Œ •“ É r Õ ªa Ë >“ É r BFO-NaBTi55

~ Ã

Ì} Œ • r « Ñ_  ü @Â Ò „  l  © œ\    É r 2P r , 2E c _     o\  ¦
 

 · p  כ s  . Õ ªa Ë >\ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  2P ^r , 2E c ° ú כ“ É r ü @ Â

Ò „  l  © œ\     7 £ x   9 8 £ ¤& ñ „  l  © œ % ò % i \ " f  H Ÿ í



o÷ &t  · ú §€ Œ ¤ .

BFO ~ à Ì} Œ •\ " f µ 1 ÏÒ q t   H ë  H ] j& h  î  r X < ì ø Í× ¼r  K   K 



 ½ + É  כ s  BFO ? /\  ” > r F    H Fe ²⁺ s “ : r s 
 í ß –™ è ‘    o

 1 p x \  _ ô  Ç  H ¾ º[ O „  À Ó\  ¦ ”     H  כ “  X < NaBTiü <

“

¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A$ í r &  ] j Œ •  ) a BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  ü

@Â Ò „  l  © œ_     o\  @ /ô  Ç ¾ º[ O  „  À Ó x 9 • ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i 



. Fig. 4  H BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ\  @ /ô  Ç ü @Â Ò „  l 



© œ\    É r ¾ º[ O  „  À Ó x 9 • ¸_     o\  ¦
  · p  כ s  . ü @

Fig. 5. Frequency dependence of dielectric constant and dielectric loss of xBiFeO 3 -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.

Â

Ò „  l  © œs  100 kV/cm{ 9  M : BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ _

 ¾ º[ O  „  À Ó x 9 • ¸  H 5.1×10 ⁻⁶ A/cm ² s % 3  . Õ ª Q
 ü @ Â

Ò „  l  © œs  150 kV/cm s  © œ“    â Ä º\   H  H ¾ º[ O  „  À Ó x 9

• ¸\  ¦ ˜ Ð% i   H X < ü @Â Ò „  l  © œ 667 kV/cm\ " f † ½ ӄ  l  © œ (2E c ) ° ú כs  403 kV/cme ” `  ¦ “ ¦ 9½ + É M : ™ è  6 £ x6   x " é ¶ \ 

"

f ¾ º[ O  „  À Ó x 9 • ¸\  ¦ ×  ¦ s l  0 Aô  Ç  8 ´ ú §“ É r ƒ  ½ ¨ € 9 כ ¹

 “ ¦ ‘ : r  .

Figure 5  H BFO-NaBTi55 “ ¦6   x ^ ‰ ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  Ä »„   :

£ ¤$ í Ü ¼– Ð 10 ² ∼10 ⁷ Hz _  Å Ò à º % ò % i \ " f 8 £ ¤& ñ ô  Ç Å Ò à º

\

   É r Ä »„  Ö  ¦ õ  Ä »„   ’ < Hz  ´_     o\  ¦
  · p  כ s  9  © œ

“

: r \ " f 8 £ ¤& ñ % i  . Õ ªa Ë >`  ¦ ˜ Ѐ   Å Ò à º 7 £ x † < Ê\   



 Ä »„  Ö  ¦ s  & h & h  y Œ ™™ è % i Ü ¼ 9 10 ⁶ Hz s  © œ\ " f  H / å L   y

 y Œ ™™ è† < Ê`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  . Å Ò à º 1 kHz{ 9  M : BFO- NaBTi55 ~ à Ì} Œ • r « Ñ_  Ä »„  Ö  ¦“ É r 756 s % 3 Ü ¼ 9 ° ú  “ É r Å Ò  Ã

º\ " f Ä »„   ’ < Hz  ´“ É r 0.03 s  .

q

6 fµ 1 Ï$ í B j— ¸o  ™ è – Ð s 6   x l  0 AK " f כ ¹½ ¨÷ &  H :

£ ¤$ í ×  æ ×  æ כ ¹ô  Ç 
  H [13] { 9 “ ¦ æ ¼l \  ¦ ì ø Í4 Ÿ ¤ % i `  ¦ M :

 
  H x – Ð ‰ & ³ © œs   Œ •   ô  Ç   H  כ s  9 s \  ¦ S X ‰ “  

“ ¦  BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ •_  ì  rF G „  ¨ 8 Š S   à º (switch- ing cycle) \    É r ì  rF G ° ú כ_     o\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9 Õ ª

 

õ \  ¦ Fig. 6 \ 
 ? /% 3  . Õ ªa Ë >\ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  1.44×10 ¹⁰  t  œ íl  ì  rF G ° ú כ_  y Œ ™™ è 15% s  e ” `  ¦ S X ‰

“

 ½ + É Ã º e ” % 3  .

s

 © œ\ " f S X ‰ “   % i 1 p w s  BiFeO ³ ü < q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨

›

¸ y © œÄ »„  ^ ‰“   Na _0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 \  ¦ “ ¦6   x ^ ‰ [xBiFeO 3 -(1- x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5), BFO-NaBTi55] – Ð + þ A$ í r  ( 

`  ¦ M : ï ß –À Ó ì  rF G s  & t “ ¦ ¾ º[ O  „  À Ó  Œ • t  9 a % ~“ É r x

– Ð : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ð% i  . s % ƒ! 3  BFO-NaBTi55 ~ à Ì} Œ •s  a % ~

“ É

r „  l & h  : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ðs   H  כ “ É r \ P % ƒo  õ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t 

Fig. 6. Fatigue property of xBiFeO 3 -(1- x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) thin film.



 H q Û ¼Á ºÛ ¼ 6 fµ 1 Ï\  _ ô  Ç q Û ¼Á ºÛ ¼ ‘   o 
 í ß –™ è ‘    o

 1 p x õ  ° ú  “ É r  o† < Æ& h    † < Ê_  % ò † ¾ Ó`  ¦ “ ¦ 9K  ^  ¦ à º e ”   [18,19]. s   H PbTiO 3
 Bi ⁴ Ti 3 O 12 , SrBi 4 Ti 4 O 15 1 p x õ  BiFeO 3 ü <_  “ ¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A$ í ô  Ç ~ à Ì} Œ •\ " f a % ~“ É r y © œÄ »„   : £ ¤

$ í

`  ¦ ˜ Ðs   H  כ õ  ° ú  “ É r   õ   ˜ Ð# Œ”    [9-12].   " f q

Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »„  ^ ‰ [ þ t õ  BiFeO 3 _  “ ¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A

$ í

r v   H  כ s   o† < Æ& h    † < Ê`  ¦ ×  ¦{ 9  à º e ”   H 
_  a % ~“ É r

~

½ ÓZ O s  | ¨ c à º e ” Ü ¼ 9 s \  @ /ô  Ç  8 ´ ú §“ É r ƒ  ½ ¨ € 9 כ ¹ 



“ ¦ ‘ : r  .

IV. + s Ç Â ] Ø



o† < Æ 6   xÓ  o 7 £ x ‚ à ÌZ O Ü ¼– Ð Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si(100) l ó ø Í 0

A\  xBiFeO ³ -(1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) ~ à Ì} Œ •`  ¦ ] j



Œ

• # Œ 650 ^◦ C _  í ß –™ è ì  r 0 Al \ " f \ P % ƒo  % i  . XRD 8

£ ¤& ñ   õ  BiFeO 3 - Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 “ ¦6   x ^ ‰    & ñ ~ Ã Ì }

Œ

•s  + þ A$ í ÷ &% 3 6 £ §`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” % 3  . ] j Œ •  ) a xBiFeO 3 - (1-x)Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 (x=0.5) ~ à Ì} Œ •“ É r a % ~“ É r „  l & h  : £ ¤

$ í

`  ¦ ˜ Ð% i   H X < ü @Â Ò „  l  © œ 667 kv/cm{ 9  M : ï ß –À Ó ì  r F G(2P r ) õ  † ½ ӄ  l  © œ (2E ^c ) ° ú כs  y Œ •y Œ • 76 µC/cm ² , 403 kV/cm s % 3 Ü ¼ 9 Å Ò à º 1 kHz{ 9  M : Ä »„  Ö  ¦ õ  Ä »„   ’ < H z 

´“ É r y Œ •y Œ • 756, 0.03s % 3  . ¢ ¸ 100 kV/cm_  ü @Â Ò „  l 

 ©

œ\  @ /K " f ¾ º[ O  „  À Ó x 9 • ¸  H 5.1×10 ⁻⁶ A/cm ² s % 3 Ü ¼ 9 1.44×10 ¹⁰  t  { 9 “ ¦ æ ¼l \  ¦ ì ø Í4 Ÿ ¤ ½ + É  â Ä º\ • ¸ 15% s   _

 x – Ð : £ ¤$ í `  ¦ ˜ Ð% i  .   " f q Û ¼Á ºÛ ¼ 8 £ x ½ ¨› ¸ y © œÄ »

„

 ^ ‰ [ þ t õ  BiFeO 3 _  “ ¦6   x ^ ‰\  ¦ + þ A$ í r ( ” Ü ¼– Ð+ ‹ q Û ¼Á º Û

¼ 6 fµ 1 Ï\  _ ô  Ç q Û ¼Á ºÛ ¼ ‘   o 
 í ß –™ è ‘   o ü < ° ú  “ É r



o† < Æ& h    † < Ê`  ¦ ×  ¦ # Œ a % ~“ É r y © œÄ »„   : £ ¤$ í `  ¦ % 3 `  ¦ à º e ” % 3  

“

¦ ‘ : r  .

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r 2007¸  • ¸ & ñ  Ò(“ §¹ ¢ ¤ õ † < Æl Õ ü t  Ò)_  F " é ¶ Ü ¼

–

Ð ô  Dz D Gƒ  ½ ¨F é ß –_  @ /† < Æ×  æ& h ƒ  ½ ¨™ è t " é ¶  \ O Ü ¼– Ð Ã º' Ÿ 

 )

a ƒ  ½ ¨e ” (2009-0094064).

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] J. Wang, J. B. Neaton, H. Zheng, V. Nagarajan, S.

B. Ogale, B. Liu, D. Viehland, V. Vaithyanathan, D. G. Schlom, U, V. Waghmare, N. A. Spaldin, K.

M. Rabe, M. Wuttig and R. Ramesh, Science 299, 1719 (2003).

[2] W. Eerenstein, F. D. Morrison, J. Dho, M. G.

Blamire, J. F. Scott and N. D. Mathur, Science 307, 1203 (2005).

[3] X. Qi, J. Dho, R. Tomov, M. G. Blamire and J. L.

Macmanus-Driscoll, Appl. Phys. Lett. 86, 062903 (2005).

[4] J. Li, J. Wang, M. Wuttig, R. Ramesh, N. Wang, B. Ruette, A. P. Pyatakov, A. K. Zvezdin and D.

Viehland, Appl. Phys. Lett. 84, 5261 (2004).

[5] C. Wang, M. Takahashi, H. Fujino, X. Zhao, E.

Kume, T. Horiuchi and S. Sakai, J. Appl. Phys. 99, 054104 (2006).

[6] J. K. Kim, S.S. Kim, W. J. Kim, A. S. Bhalla and R. Guo, Appl. Phys. Lett. 88, 132901 (2006).

[7] Z. X Cheng, X. L. Wang, C. V. Kannan, K. Ozawa, H. Kimura, T. Nishida, S. J. Zhang and T. R.

Shrout, Appl. Phys. Lett. 88, 132909 (2006).

[8] X. J. Xing, Y. P Yu, L. M. Xu, Y. L. Zhang and S.

W. Li, Mater. Sci. Eng. B 147, 95 (2008).

[9] H. K. Jo, S. S. Kim and D. Do, J. Sol-Gel Sci. Tech- nol. 49, 336 (2009).

[10] D. Do, J. W. Kim, S. S. Kim and A. S. Bhalla, Integr. Ferroelectr. 105, 66 (2009).

[11] K. Ueda, H. Tabata and T. Kawai, Appl. Phys. Lett.

75, 555 (1999).

[12] S. Gupta, A. Garg, D. C. Agrawal, S. Bhattacharjee and D. Pandey, J. Appl. Phys. 105, 014101 (2009).

[13] Z. G. Gai, J. F. Wang, M. L. Zhao, C. M. Wang, G. Z. Zang, B. Q. Ming and P. Qi, Appl Phys. Lett.

89, 012907 (2006).

[14] C. M. Wang, J. F. Wang, S. Zhang and T. R. Shrout, J. Appl. Phys. 105, 094110 (2009).

[15] C-M. Wang, J-F. Wang, S. Zhang and T. R. Shrout, J. Appl. Phys. 105, 094110 (2009).

[16] C. M. Wang, J. F. Wang and Z. G. Gai, Scripta Mat.

57, 789 (2007).

[17] N. S. Almodovar, J. Portelles, O, Raymond, J, Heiras and J. M. Siqueiros J. Appl. Phys. 102,

124105 (2007).

[18] G. L. Yuan and S. W. Or, J. Appl. Phys. 100, 024109 (2006).

[19] Y. Noguchi, I. Miya, Y. Gossshima and M.

Miyayama, Jpn. J. Appl. Phys. Part2 39, L1250

(2000).