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 проекта 21-72-10180
НазваниеГетероструктуры на основе бессвинцовых сегнетоактивных материалов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы: особенности синтеза и роста, фазовые состояния и фазовые превращения, физические свойства.
Руководитель Павленко Анатолий Владимирович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук" , Ростовская обл
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки
Ключевые слова Гетероструктура, тонкие пленки, деформационная инженерия, доменная инженерия, сегнетоэлектрик, тетрагональная вольфрамовая бронза, поляризация, фазовый переход, диэлектрическая нелинейность.
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Развитие современной микроэлектроники характеризуется разработкой большого числа типов интегральных микросхем (ИМС), а также систем на одном кристалле. Наиболее широко выпускаются полупроводниковые ИМС, которые находят все большее применение в аппаратуре бытового назначения и устройствах медицинской диагностики, однако при этом они имеют ряд ограничений, которые затрудняют осуществлять высокую плотность упаковки приборов и повышать их быстродействие. Это способствовало тому, что интенсивное развитие в последнее десятилетие получила функциональная микроэлектроника, которая предлагает новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (активных и пассивных), основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле (т.е. используются материалы, которые могут выполнять необходимую функцию, а промежуточный этап представления необходимой информации в виде эквивалентной электрической схемы отпадает). Полупроводниковая индустрия так же остро нуждается в новых видах запоминающих устройств, сочетающих скоростные характеристики оперативной памяти с энергонезависимостью Flash памяти, а так же имеющих неограниченное числом циклов перезаписи (более 10^14), низкое энергопотребление и стоимость, обеспечивая высокую плотность записи информации и потенциал к дальнейшему масштабированию. В этой связи колоссальную актуальность приобрели комплексные исследования, включающие разработку технологий синтеза, экспериментальные и теоретические исследования свойств сегнетоактивных наноразмерных пленок и гетероструктур на их основе. Базовыми подложками в этом случае выступаю преимущественно MgO и Si различных кристаллографических ориентаций. Огромный потенциал применений и фундаментальный интерес к сегнетоактивным материалам обусловлен существованием в них кроме определяющего их физического явления (переключения спонтанной поляризации) высокой диэлектрической проницаемости, пьезо- и пироактивности, диэлектрической нелинейности и электрооптического эффекта. Возникающие в процессе роста наноразмерных пленок внутренние механические напряжения, зависящие от механизма роста и метода их синтеза (одностадийный или многостадийный) и размерные эффекты сильно влияют на свойства таких материалов. Это привело к созданию таких новых направлений, как «integrated ferroelectrics», «доменная инженерия», «деформационная инженерия». Значительные успехи в этих направлениях достигнуты, по историческим причинам, в основном для материалов со структурой типа перовскита (PZT, BST) и родственных им (Bi4Ti3O12, LiNbO3). Однако, как отмечено в актуальных Российских и зарубежных аналитических обзорах по данной тематике, отсутствие удовлетворяющих основным требованиям сегнетоэлектрических материалов в виде наноразмерных пленок (низкие температуры кристаллизации, отсутствие примесного загрязнения технологического оборудования при синтезе и т.д.) является одной из ключевых проблем. Это свидетельствует о актуальности исследований в этом направлении и именно решению этой проблемы посвящен представленный проект.
В качестве таких новых материалов предлагаются использовать гетероструктуры (как однослойные, так и многослойные) на основе двух одноосных сегнетоэлектрических материалов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы с общей химической формой (A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30, один из которых в крупнокристаллическом состоянии при обычных условиях находится в сегнетоэлектрическом состоянии и характеризуется высокими знамениями пироэлектрического тока и электрооптического эффекта (BaxSr1-xNb2O6, температура Кюри твердого раствора повышается от 320 °С (х = 0.25) до 620 °С (х = 0.75)), а второй – мультиферроик Ba2NdFeNb4O15 (температуры магнитного и сегнетоэлектрического фазовых переходов ниже 300 К), но при этом имеющих практически идентичный структурный каркас (в данном случае – Nb2O6) и близкие значения параметров элементарных ячеек. Как индивидуальное соединения в виде тонких пленок Ba2NdFeNb4O15 впервые был получен в последнее десятилетие. Объекты будут синтезированы с использованием развиваемого преимущественно в России одностадийного метода ВЧ-катодного распыления в атмосфере кислорода при низких температурах (500-650 °C), в рамках которого состав пленок сохраняется, а легирование пленки конструкционными элементами не происходит. Для изготовления конденсаторных структур металл-сегнетоэлектрик-металл будут использованы эпитаксиально выращенные слои Pt или SrRuO3. Для установления закономерностей формирования фазового состава, кристаллической структуры, доменной структуры, свойств и фазовых превращений объектов будут использованы методы рентгендифракционного анализа, взаимодополняющие - оптическая, электронная и сканирующая зондовая микроскопии, спектральная эллипсометрия, и подходы, базирующиеся на применении диэлектрической спектроскопии. Исследование характера и особенностей переключения поляризации, эффектов «памяти», «усталости» и естественной униполярности доменного строения будет осуществлено на основе анализа полевых и временных зависимостей поляризационного, пьезо- и пирооткликов (в гетероструктурах металл-сегнетоэлектрик полупроводник будут учтены особенности проявления «эффекта поля»). Топография, доменная структура, процессы локального переключения и релаксация сигнала заполяризованных областей пленок при различных температурах будут изучены методами сканирующей зондовой микроскопии в режимах силовой микроскопии пьезоотклика и Кельвин моды. Описание установленного влияния деформационных полей на температуру фазовых превращений в пленках BaxSr1-xNb2O6 и Ba2NdFeNb4O15 (ожидается, что пленки будут выращены по механизму Фольмера-Веберра и сегнетоэлектрическая фаза сохранит тетрагональное искажение) будет осуществлено с использованием феноменологической теории фазовых переходов.
Полученные результаты позволят впервые установить закономерности проявления размерных эффектов и формирования свойств в гетероструктурах на основе BaxSr1-xNb2O6 и Ba2NdFeNb4O15, выявить особенности их синтеза и роста, реализуемые фазовые состояния и фазовые превращения, новые физические свойства, которые позволят их в дальнейшем применять в новых устройствах функциональной электроники с адаптивной функциональностью, МЭМС и элементах памяти.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ