Сегнетоэлектрические характеристики титаната стронция стали управляемыми.
Работа опубликована в Journal of Alloys and Compounds. На пересечении науки и технологий современные исследования в области материаловедения открывают новые возможности. Один из уникальных материалов — титанат стронция. Этот перовскит обладает исключительно высокой диэлектрической проницаемостью при низких температурах, что делает его идеальным для создания конденсаторов, сенсоров и других устройств. Его уникальные характеристики можно модифицировать, например, применяя химическое допирование для изменения его структуры.
Титанат стронция активно используется в современной электронике и может быть полезен при разработке новых микроэлектронных устройств. Его ключевое преимущество — высокая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери, что означает, что он может эффективно накапливать значительный электрический заряд. Кроме того, SrTiO3 сохраняет свои выдающиеся диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне, что делает его отличным материалом для различных применений, включая телекоммуникационные системы и элементы микроэлектронной техники.
Новое исследование, проведенное группой ученых, выявило интересные аспекты квантово-параэлектрического поведения тонких пленок SrTiO3, допированных переходными металлами — марганцем (Mn), железом (Fe), никелем (Ni) и кобальтом (Co). С применением импульсного лазерного напыления ученые смогли получить пленки толщиной 150 нанометров и исследовать их свойства с помощью терагерцовой спектроскопии.
Импульсное лазерное напыление (PLD) — это метод создания тонких пленок материалов на подложках с использованием лазерного излучения. Суть метода заключается в том, что мощный лазерный импульс направляется на целевой материал, известный как «тарелка» или «порошок». Лазерное излучение быстро нагревает поверхность этого материала, что приводит к его испарению (или абляции). 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), которые можно изучить с помощью терагерцевой 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 особый тип колебаний в структуре материала, который отвечает за формирование его сегнетоэлектрических свойств. В экспериментах с титанатом стронция ученые обнаружили, что эти колебания ведут себя иначе в тонких пленках и нанокерамике по сравнению с объемными кристаллами.
В этом исследовании ученые установили, что диэлектрический вклад и частота мягкой моды при понижении температуры ведут себя согласно предсказаниям модели Барретта. Это указывает на то, что свойства материала изменяются при снижении температуры, но с некоторыми необычными характеристиками — система, хотя и стремится к переходу в сегнетоэлектрическое состояние, не достигает сегнетоэлектрического фазового перехода. В результате кристалл переходит в квантовый режим, а диэлектрическая проницаемость достигает ультравысоких значений, что представляет собой значительный интерес для применения в криоэлектронике.
Исследователи также обнаружили, что механические напряжения в пленках могут изменяться за счет различных коэффициентов теплового расширения материалов пленки и подложки. При соответствующем растяжении (или сжатии) свойства материала могут значительно варьироваться, что позволяет манипулировать его сегнетоэлектрическими свойствами и даже повышать температуру фазового перехода до более высоких значений.
«Исследование продемонстрировало сложную взаимосвязь между структурой пленок титаната стронция и их диэлектрическими свойствами, — отметил 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.