КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-72-01074
НазваниеИсследование влияния проводимости доменных стенок на переключение поляризации в тонких плёнках сегнетоэлектриков.
РуководительКособоков Михаил Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словасегнетоэлектрик, сегнетоэлектрические домены, сегнетоэлектрические доменные стенки, переключение спонтанной поляризации, проводимость доменных стенок, атомный силовой микроскоп, сканирующий зондовый микроскоп, пьезоэлектрическая силовая микроскопия, ниобат лития, метод конечных элементов, электростатика, мемристоры..
Код ГРНТИ29.19.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Доменные стенки в сегнетоэлектриках обладают уникальными функциональными свойствами, существенно отличающимися от объемных свойств материала. Например, они имеют на несколько порядков более высокую электрическую проводимость и могут быть созданы или изменены в материале с помощью внешнего электрического поля. Электрические характеристики доменных стенок определяются их топологией, зависят от свойств сегнетоэлектрика и материалов электродов, используемых для переключения поляризации. Уникальной особенностью доменных стенок является возможность непрерывного изменения проводимости за счет управления наклоном доменной стенки, что позволяет создавать устройства с плавно изменяющимся сопротивлением. Проводимость доменных стенок активно изучается более пятнадцати лет в связи с потенциальными мем».
В настоящее время фундаментальные исследования переходят в стадию разработки устройств на основе доменных стенок. Например, концепция сегнетоэлектрической памяти была продемонстрирована в тонких плёнках феррита висмута и монокристаллах ниобата лития. Однако до сих пор нет полного понимания механизмов движения заряженных доменных стенок. Большинство теоретических моделей либо сосредотачиваются на латеральном движении нейтральных доменных стенок, либо не учитывают процессы экранирования, которые являются ключевыми для стабилизации термодинамически неравновесных заряженных доменных стенок. Кроме того, движение заряженных доменных стенок не рассматривается как самосогласованная задача, хотя очевидно, что проводящую доменную границу можно рассматривать в некотором приближении как подвижный электрод внутри кристалла, что приводит к изменению пространственного распределения электрического поля.
Таким образом, этот проект направлен на исследование влияния проводимости доменных стенок на переключение поляризации в тонкопленочных сегнетоэлектриках с использованием локальных методов, а также на создание методов контроля и стабилизации заряженных доменных стенок в сегнетоэлектрических материалах. Кроме того, относительно неизученной задачей является анализ локальных петель гистерезиса и данных временной спектроскопии. Параметры переключения поляризации, полученные с помощью этих методов, трудно связать с характеристиками материала и параметрами движения доменных стенок, такими как подвижность стенок, поле активации и поле смещения. Тем не менее знание этих параметров необходимо для анализа поверхностных явлений в сегнетоэлектриках, в том числе в неоднородных системах и в двумерных сегнетоэлектриках. Поэтому разработка методологии количественного анализа данных о локальном переключении поляризации и локальных петлях гистерезиса позволит существенно расширить представления о процессах переключения поляризации в низкоразмерных системах.
Ожидаемые результаты
В ходе работы над проектом планируется получить следующие научные результаты:
1. Экспериментальный подход для регистрации электромеханических сигналов при локальном переключении поляризации под воздействием импульсов напряжения произвольной формы.
2. Оригинальная экспериментальная методика переключения поляризации в постоянном поле c одновременным измерением параметров диффузии заряда.
3. Экспериментальные зависимости пьезоэлектрического коэффициента, ёмкости и параметров диффузии заряда в процессе переключения поляризации при различных условиях переключения.
4. Описание процессов переноса заряда от зонда АСМ в объём сегнетоэлектрика.
5. Модель диффузии заряда с зонда АСМ в сегнетоэлектрик в процессе роста сегнетоэлектрического домена и физическая модель, описывающая кинетику доменных стенок с учётом их проводимости.
6. Численная модель, позволяющая рассчитать параметры движения доменных стенок для данных переключения поляризации в постоянном и растущем поле.
7. Заключение о взаимосвязи локальных петель гистерезиса с параметрами переключения поляризации.
Ожидаемые результаты проекта откроют возможности применения структур, содержащих проводящие нанодомены, для создания и усовершенствования энергонезависимых устройств памяти с произвольным доступом, сенсоров, работающих на поверхностных акустических волнах, а также для миниатюризации различных функциональных приборов микро- и наноэлектроники.
Предлагаемый методологический подход, основанный на комбинировании экспериментальных методов сканирующей зондовой микроскопии с нанометровым разрешением, современной теории электрофизических свойств доменной структуры, в сочетании с аналитической теорией локального пьезоэлектрического отклика, обладает мировой новизной. Такой комплексный подход открывает уникальные возможности самосогласованного анализа экспериментальных и теоретических данных и обеспечивает высокую достоверность полученных результатов.
Работы по проекту будут выполнены на самом высоком научном уровне, что гарантируется высоким уровнем квалификации исполнителей и использованием качественного современного оборудования УЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ. Результаты исследований могут быть использованы для улучшения характеристик электродных материалов, а также оптимизации конструкции устройств накопителей энергии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на разработку методологического подхода, основанного на комбинировании экспериментальных методов сканирующей зондовой микроскопии с нанометровым разрешением, современной теории электрофизических свойств доменной структуры, в сочетании с аналитической теорией локального пьезоэлектрического отклика, обладает мировой новизной. Такой комплексный подход открывает уникальные возможности самосогласованного анализа экспериментальных и теоретических данных и обеспечивает высокую достоверность полученных результатов.
Разработана и протестирована экспериментальная установка для регистрации электрических и электромеханических сигналов при локальном переключении поляризации под воздействием импульсов напряжения произвольной формы. Установка позволила одновременно переключать поляризацию в сегнетоэлектрическом образце и регистрировать пьезоэлектрический отклик и электрический ток в системе зонд образец с постоянной времени менее 1 мкс. Установка позволяет контролировать силу прижима зонда к поверхности во время переключения поляризации и движение зонда после переключения поляризации: зонд остаётся в контакте с поверхностью или зонд резко отводится на заданное расстояние, что позволяет мгновенно после переключения поляризации исследовать скорость спадания экранирующего заряда.
Разработана оригинальная экспериментальная методика локального переключения поляризации в постоянном поле с последующей обработкой результатов при помощи численного решения обратной физической задачи методом конечных элементов.
Измерены характерные времена релаксации электрического потенциала для локального переключения поляризации на (010) срезе монокристалла MgOLN, в (001) монокристаллических тонких плёнок MgOLN, в (001) тонких плёнках феррита висмута, полученных катодным распылением в атмосфере кислорода. Для всех образцов обнаружено, что релаксация заряда носит неэкспоненциальный характер, который может быть описан суммой нескольких компонент с различными временами релаксации. Сделаны оценки поверхностной проводимости во всех образцах, которая существенно меняет свою величину в зависимости от масштабов времён рассмотрения.
Показано, что доменные стенки приводят к перераспределению экранирующего заряда в результате транспорта электрического заряда. Знак связанного заряда на доменных стенках определяет асимметрию распределения экранирующего заряда, а также скорость его релаксации.
Предложена физическая модель для описания распределения заряда по доменным стенкам в процессе роста сегнетоэлектрического домена, на основании которой разработана компьютерная модель. Показано, что экранирующий заряд на проводящих доменных стенках способен компенсировать деполяризующее поле внутри домена и на его стенках, тем самым обеспечивая его стабильность.
Построена компьютерная модель пьезоэлектрического отклика образца в поле зонда в процессе роста домена. Показано, что амплитуда пьезоэлектрического отклика напрямую зависит от размеров получаемых на эксперименте доменов и распределения поля зонда, которая в свою очередь может сильно меняться при наличии инжекции заряда в образец и влажной атмосферы.
Получены экспериментальные зависимости эффективного пьезоэлектрического коэффициента от размера сегнетоэлектрического домена. На основании экспериментальной зависимости скорректированы параметры модели, что позволяет анализировать кинетику переключения поляризации под воздействием коротких импульсов поля (менее 10 мс).
Результаты проекта откроют возможности применения структур, содержащих проводящие нанодомены, для создания и усовершенствования энергонезависимых устройств памяти с произвольным доступом, сенсоров, работающих на поверхностных акустических волнах, а также для миниатюризации различных функциональных приборов микро- и наноэлектроники. Полученные результаты исследований могут быть использованы для улучшения характеристик электродных материалов, а также оптимизации конструкции устройств накопителей энергии.
Публикации
1. Мельников С.А., Кособоков М.С.,Турыгин А.П., Шур В.Я., Аликин Д.О. Влияние сегнетоэлектрических доменных стенок на анизотропию инжекции заряда в монокристаллах MgO:LiNbO3 Сборник тезисов, материалы Двадцать восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-28, Новосибирск), стр. 89 (год публикации - 2024)