Ученые из МФТИ предложили новый способ изучения доменной структуры сегнетоэлектрических пленок. В перспективе он поможет понять, почему пленки теряют физические свойства при многократном воздействии электрического поля. Ученые планируют применять метод при создании и изучении свойств ячеек сегнетоэлектрической памяти. Работа опубликована в Journal of Applied Physics.
Сегнетоэлектрики — это материалы, которые имеют два стабильных состояния поляризации. Эти состояния сохраняются в отсутствие электрического поля, что позволяет использовать их для создания элементов памяти компьютера. Как правило, сегнетоэлектрики обладают доменной структурой, то есть разделены на области, которые могут иметь разную поляризацию. При приложении внешнего электрического поля поляризация доменов меняет знак на противоположный, переключается, — именно так происходит перезапись элемента памяти. Однако многократная перезапись доменов внешним полем может приводить к разрушению свойств пленок: часть доменов теряет способность переключаться при заданных условиях. Для того чтобы найти причину разрушений, необходим эффективный метод наблюдения за доменами и их переключением.
Для наблюдения за отдельными доменами, как правило, используется микроскопия пьезоотклика. Физики из МФТИ предложили альтернативный способ изучения доменной структуры тонких пленок — метод наведенного тока — и реализовали его с помощью растрового электронного микроскопа.
Первый автор работы Евгений Коростылёв, директор Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ, рассказал: «Мы когда-то ездили проводить измерения на синхротроне (прим. ред.: ускоритель частиц). Образец был подключен к измерителю тока, и мы заметили, что когда на образец попадал пучок рентгеновских лучей, измеритель фиксировал протекание тока — возникал наведенный ток. Мы решили попробовать облучать образец тончайшим пучком высокоэнергетических электронов вместо рентгеновских лучей (которые засвечивают весь образец сразу). Нам стало интересно, будет ли возникать наведенный ток в таком случае, а также будет ли величина тока изменяться в зависимости от того, в какой домен попадает пучок».
В новой работе ученые рассматривали доменную структуру тонкой пленки смешанного оксида гафния-циркония Hf0.5Zr0.5O2. Изображение структуры физики получали при помощи электронного микроскопа и токового усилителя. А переключали домены — меняли их поляризацию — подавая внешнее напряжение на образец.
Основная идея установки, придуманной и созданной учеными, — использовать в качестве возбудителя тока в образце тончайший пучок электронов, генерируемый в растровом электронном микроскопе. Из-за различных физических характеристик доменов сила наведенного тока в них будет отличаться, а значит, по ней можно восстановить структуру образца. Электронный пучок микроскопа, попадая на образец, рождал в пленке электронно-дырочные пары, которые создавали ток, улавливаемый усилителем (вплоть до пА). Благодаря небольшому диаметру электронного пучка физики могли изучать маленькие участки пленки, на которые попадал пучок. По силе и направлению тока на этих участках восстанавливали доменную структуру образца.
Слева — доменная структура образца при напряжениях от –3 до 3 В. Светлые фрагменты соответствуют доменам с поляризацией вверх, темные — с поляризацией вниз. Справа — фрагмент экспериментальной установки, столик, на который помещается образец, а затем освещается электронным пучком. Столик подсоединен к токовому усилителю и источнику напряжения
Чтобы посмотреть, как меняется поляризация доменов, исследователи подавали напряжение на образец, а затем повторяли процедуру сканирования. Изменение поляризации отдельных участков пленки происходило путем приложения различных значений напряжения. Таким образом ученые управляли переключением доменов, варьируя напряжение. Дополнительно доменную структуру визуализировали известным методом микроскопии пьезоотклика и получили такие же результаты, как при использовании метода наведенного тока. Предложенный способ изучения сегнетоэлектрических структур оказался быстрее микроскопии пьезоотклика при сопоставимой точности.
Анна Черникова, ведущий научный сотрудник Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ: «Мы заинтересованы, чтобы сегнетоэлектрические ячейки памяти могли поддерживать много циклов перезаписи. Существует проблема в потере свойств ячеек, но причины этого в литературе называются весьма спекулятивные. Никто еще не следил микроскопически, что в пленках происходит. Мы хотим применить наш метод визуализации, чтобы понять, почему пленки портятся, и предложить пути решения этой проблемы».
