Управління сегнетоелектричними властивостями титанату стронцію стало можливим.
Робота опублікована в Journal of Alloys and Compounds. На межі науки та технологій сучасні дослідження в галузі матеріалознавства відкривають нові горизонти. Одним з унікальних матеріалів є титанат стронцію. Цей перовскіт відрізняється надзвичайно високою діелектричною проникністю при низьких температурах, що робить його придатним для створення конденсаторів, сенсорів і інших пристроїв. Його унікальні властивості можна модифікувати, наприклад, використовуючи хімічне допування для зміни його структури.
Титанат стронцію широко використовується в сучасній електроніці і може бути корисним при створенні нових мікроелектронних пристроїв. Його сильна сторона — висока діелектрична проникність і низькі діелектричні втрати, що означає, що він може ефективно накопичувати величезний електричний заряд. Крім того, SrTiO3 зберігає свої привабливі діелектричні властивості в мікрохвильовому діапазоні, що робить його ідеальним матеріалом для багатьох застосувань, таких як телекомунікаційні системи та елементи мікроелектроніки.
Нове дослідження, проведене командою вчених, виявило цікаві аспекти квантово-параелектричного поведінки тонких плівок SrTiO3, допованих переходними металами — марганцем (Mn), залізом (Fe), нікелем (Ni) та кобальтом (Co). Використовуючи імпульсне лазерне напилення, вчені змогли отримати плівки товщиною 150 нанометрів і проаналізувати їх властивості за допомогою терагерцової спектроскопії.
Імпульсне лазерне напилення (PLD) — це метод нанесення тонких плівок матеріалів на підкладки за допомогою лазерного випромінювання. Суть цього методу полягає в тому, що потужний лазерний імпульс направляється на цільовий матеріал, який називається «тарілка» або «порошок». Лазерне випромінювання швидко нагріває поверхню цього матеріалу, в результаті чого відбувається його випаровування (або абляція). Вивільнені атоми або молекули у вигляді газу або плазми осаджуються на підкладку, утворюючи тонкий шар.
У ході експерименту досліджувалося, як додавання всього двох атомних відсотків переходних металів впливає на діелектричні властивості титанату стронцію.
Одним з основних результатів роботи стало виявлення так званої сегнетоелектричної «м’якої моди» в терагерцевих спектрах. М’яка мода — це специфічний тип коливань атомів у матеріалі (фононів), який можна вивчити за допомогою терагерцової спектроскопії, що використовує частоти від кількох см-1 до 100 см-1 і температури від кімнатних (300 К) до геліївих (4,2 К).
Сегнетоелектрична м’яка мода — це спеціальний тип коливань у структурі матеріалу, який відповідає за формування його сегнетоелектричних властивостей. У експериментах з титанатом стронцію вчені встановили, що ці коливання поводяться інакше в тонких плівках і нанокераміці в порівнянні з об’ємними кристалами.
У цьому дослідженні вчені виявили, що діелектричний внесок і частота м’якої моди при зниженні температури поводяться так, як передбачено в моделі Барретта. Це означає, що властивості матеріалу змінюються при зниженні температури, але з певними незвичайними особливостями — система хоч і прагне до переходу в сегнетоелектричний стан, але сегнетоелектричний фазовий перехід не відбувається. В результаті кристал переходить в квантовий режим, а діелектрична проникність набуває ультрависоких значень, що є надзвичайно цікавим для застосувань у кріоелектроніці.
Дослідники також з’ясували, що можна змінювати механічні напруження в плівках за рахунок різних коефіцієнтів теплового розширення матеріалів плівки і підкладки. При відповідному розтягуванні (або стисненні) властивості матеріалу можуть суттєво змінюватися, що дозволяє маніпулювати його сегнетоелектричними властивостями і навіть підвищувати температуру фазового переходу до більш високих значень.
«Дослідження показало складну взаємозв’язок між структурою плівок титанату стронцію та їх діелектричними властивостями, — розповів Борис Горшунов, завідувач лабораторією терагерцової спектроскопії МФТІ. — Розуміння таких взаємозв’язків може призвести до створення нового класу функціональних матеріалів, що, в свою чергу, прискорить розвиток мікроелектроніки».
Дослідження фінансувалося Російським науковим фондом.