| Название: | Эффект Горского в тонких сегнетоэлектрических пленках |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы |
| Ключевые слова: | Тонкие сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, высокочастотное магнетронное распыление, изгибные механические напряжения, заряженные вакансии, восходящая диффузия, эффект Горского, электродиффузия, самополяризация, внутреннее поле |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Пронин,ИП |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 24-22-00361 |
Актуальность исследования связана с изучением механизмов формирования естественной униполярности (самополяризации) и внутреннего электрического поля в тонких пленках цирконата-титаната свинца (ЦТС). С точки зрения использования тонких сегнетоэлектрических пленок в элементах памяти, где используется эффект переключения поляризации под действием внешнего электрического поля, наличие униполярности является паразитным эффектом. В этом случае устойчивость двух полярных состояний, отличающихся противоположной ориентацией поляризации, становится разной, что приводит к деградации устройств памяти. Напротив, в устройствах микроэлектромеханики (МЭМС), область использования которых непрерывно расширяется [1-2], наличие униполярности приводит к повышению устойчивости одной из ориентаций поляризации, что позволяет более эффективно использовать тонкие пленки ЦТС. В 2021 году рынок МЭМС достиг нескольких млрд. долларов, и доля использования тонкопленочных сегнетоэлектриков на нем значительна.
Одним из основных механизмов образования самополяризации считается флексоэлектрический эффект, который вызван изгибными механическими напряжениями (точнее, градиентом механических напряжений), возникающими из-за различия в температурных коэффициентах линейного расширения тонкой пленки и подложки и связан со сдвигом атомов в пределах элементарной ячейки,. Следствием такого сдвига атомов является появление электрического поля, направленного вдоль градиента механических напряжений и переориентирующих сегнетоэлектрическую поляризацию в кристаллической структуре максимально близко к направлению электрического поля. Однако сделанные оценки величины индуцируемого градиентом напряжений внутреннего поля оказываются на несколько порядков меньше экспериментально наблюдаемой величины.
Как альтернатива флексоэлектрическому эффекту в проекте впервые предлагается проведение систематических исследований направленной диффузии заряженных вакансий в тонких поликристаллических пленках ЦТС, осажденных на подложках с различной величиной температурного коэффициента линейного расширения под действием возникающих изгибных механических напряжений. Это должно приводить со временем либо к возникновению, либо к изменению существующего униполярного состояния, вызванного накоплением объемного заряда, образованием внутреннего электрического поля и макроскопической поляризации в тонких пленках (аналог эффекта Горского для полярных (сегнетоэлектрических) структур).
Изначально эффект Горского был связан с «восходящей» диффузией атомов под действием градиента механических напряжений, сегрегацией и диффузионным последействием в металлах и сплавах. Он хорошо известен в металлургии, и учитывается при разработке и изготовлении изделий прецизионной конфигурации из металлов (эталоны, измерительный инструмент, станки и т.д.). Проявление эффекта Горского в полярных тонкопленочных материалах (в том числе в сегнетоэлектриках) связывается с направленной диффузией заряженных атомов (или вакансий) под действием градиента механических напряжений. До настоящего времени этот эффект практически не изучен, и полученные в ходе реализации настоящего проекта результаты будут являться новыми и оригинальными.
Выяснение механизмов формирования самополяризованного состояния в тонких пленках ЦТС позволит не только лучше представлять природу образования внутреннего поля и самополяризации, разработать оптимальную технологию формирования тонких пленок и повысить их эффективность, но и распространить полученные результаты на тонкие сегнетоэлектрические пленки других составов.
[1] А.А. Бухараев, А.К. Звездин, А.П. Пятаков, Ю.К. Фетисов. Стрейнтроника — новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах. // УФН. Т. 188, С.1288–1330 (2018).
[2] L Song, S. Glinsek and E. Defay. Toward low-temperature processing of lead zirconate titanate thin films: Advances, strategies, and applications. // Appl. Phys. Rev. V.8, 041315 (2021).
