Сегнетоэлектрические свойства титаната стронция поддались управлению

Работа опубликована в Journal of Alloys and Compounds. На стыке науки и технологий современные исследования в области материаловедения открывают новые горизонты. Одним из уникальных материалов является титанат стронция. Этот перовскит отличается исключительно высокой диэлектрической проницаемостью при низких температурах, что делает его подходящим для создания конденсаторов, сенсоров и других устройств. Его уникальные свойства можно модифицировать, например, используя химическое допирование для изменения его структуры.

Титанат стронция широко используется в современной электронике и может быть полезным при создании новых микроэлектронных устройств. Его сильная сторона — высокая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери, что означает, что он может эффективно накапливать огромный электрический заряд. Кроме того, SrTiO₃ сохраняет свои привлекательные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне, что делает его идеальным материалом для многих приложений, таких как системы телекоммуникации и элементы микроэлектронной техники.

Новое исследование, проведенное командой учёных, выявило интересные аспекты квантово-параэлектрического поведения тонких пленок SrTiO₃, допированных переходными металлами — марганцем (Mn), железом (Fe), никелем (Ni) и кобальтом (Co). Используя импульсное лазерное напыление, ученые смогли получить пленки толщиной 150 нанометров и проанализировать их свойства с использованием терагерцовой спектроскопии.

Импульсное лазерное напыление (PLD) — это метод нанесения тонких пленок материалов на подложки с использованием лазерного излучения. Суть этого метода заключается в том, что мощный лазерный импульс направляется на целевой материал, который называется «тарелка» или «порошок». Лазерное излучение быстро нагревает поверхность этого материала, в результате чего происходит его испарение (или абляция). Освобожденные атомы или молекулы в виде газа или плазмы осаждаются на подложку, образуя тонкий слой.

В ходе эксперимента исследовалось, как добавление всего двух атомных процентов переходных металлов влияет на диэлектрические свойства титаната стронция.

Одним из основных результатов работы стало выявление так называемой сегнетоэлектрической «мягкой моды» в терагерцовых спектрах. Мягкая мода — это специфический тип колебаний атомов в материале (фононов), который можно изучить с помощью терагерцовой спектроскопии, использующей частоты от нескольких см^-1 до 100 см^-1 и температуры от комнатных (300 К) до гелиевых (4,2 К).

Сегнетоэлектрическая мягкая мода — это специальный тип колебаний в структуре материала, который отвечает за формирование его сегнетоэлектрических свойств. В опытах с титанатом стронция ученые установили, что эти колебания ведут себя иначе в тонких пленках и нанокерамике по сравнению с объемными кристаллами.

В этом исследовании ученые обнаружили, что диэлектрический вклад и частота мягкой моды при понижении температуры ведут себя так, как предсказано в модели Барретта. Это значит, что свойства материала меняются при понижении температуры, но с определенными необычными особенностями — система хоть и стремится к переходу в сегнетоэлектрическое состояние, но сегнетоэлектрический фазовый переход не происходит. В результате кристалл переходит в квантовый режим, а диэлектрическая проницаемость приобретает ультравысокие значения, что крайне интересно для применений в криоэлектронике.

Исследователи также выяснили, что можно изменять механические напряжения в пленках за счет разных коэффициентов теплового расширения материалов пленки и подложки. При соответствующем растяжении (или сжатии) свойства материала могут значительно изменяться, что позволяет манипулировать его сегнетоэлектрическими свойствами и даже повышать температуру фазового перехода до более высоких значений.

«Исследование показало сложную взаимосвязь между структурой пленок титаната стронция и ихдиэлектрическими свойствами, — рассказал Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ. — Понимание таких взаимосвязей может привести к созданию нового класса функциональных материалов, что, в свою очередь, ускорит развитие микроэлектроники».

Исследование финансировалось Российским научным фондом.

ФизТех

426 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше