Исследователи из МФТИ и Пекинского технологического института сделали значительный шаг вперед в области сегнетоэлектрических материалов. Они разработали новый метод создания ультратонких пленок с исключительными свойствами. Эта работа, опубликованная в Advanced Materials, прокладывает путь к разработке миниатюрных электронных устройств нового поколения.
Сегнетоэлектрические материалы обладают уникальным свойством, известным как спонтанная поляризация, — явление, при котором электрические диполи выстраиваются в определенном направлении. Упорядочение происходит в границах определенного домена — области кристалла, где поляризация одинакова. При этом направление и величина поляризации могут быть изменены при приложении внешнего электрического поля. Материалы с подобными свойствами применяются в таких устройствах, как транзисторы, устройства памяти и датчики.
Одной из главных проблем использования сегнетоэлектриков является потеря их свойств при миниатюризации. По мере того как эти материалы становятся тоньше, их спонтанная поляризация ослабевает и исчезает, что ограничивает возможность их применения.
В поиске решения этой проблемы научная группа под руководством Василия Столярова изучила ультратонкие пленки CuCrSe2. Для создания пленок использовали метод химического осаждения из газовой фазы, позволяющий точно контролировать состав, структуру и толщину материала.
Но сначала пришлось разработать специальную вакуумную камеру, где под строгим контролем давления происходило взаимодействие реагентов: газообразного селена и элементарных меди и хрома. В установке под воздействием высокой температуры, в условиях постоянного потока газа происходит перенос атомов селена в реакционную зону, где уже находятся медь и хром. Эти «строительные блоки» затем вступают в химические реакции, формируя на поверхности подложки из слюды ультратонкую пленку CuCrSe2. Вакуумная система откачивает из камеры неиспользованные газы и побочные продукты, оставляя на подложке очень тонкое покрытие, состоящее из отдельных нанокристаллов.
Получающиеся кристаллы имеют форму треугольника, которая вызвана тригональной симметрией их собственной кристаллической структуры. Именно такое расположение атомов в нанокристалле CuCrSe2 приводит к минимизации поверхностной энергии и, как следствие, полной энергии структуры. Тип и ориентация подложки также влияют на рост пленки. В работе ученые использовали монокристаллический сапфир, который имеет гексагональную структуру. Кроме того, форма нанокристалла может быть обусловлена скоростью и условиями роста материала.
Атомная структура полученных нанокристаллов. Изображения получены с помощью различных видов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). a) ПЭМ-изображение нанослоя CuCrSe2 с картированием элементов (Cu, Cr, Se) методом энергодисперсионной спектроскопии (EDS). b, c) HAADF-STEM (просвечивающая электронная микроскопия с высокоугловым кольцевым темным полем) изображения кристалла CuCrSe2 с высоким разрешением в режиме просвета (b) и выделенной области (c). Врезки — компьютерная модель структуры кристалла. d, g) Дифракционные картины кристалла CuCrSe2 в режимах просвета (d) и поперечного сечения (g). e, f) HAADF-STEM изображения кристалла CuCrSe2 в поперечном сечении (e) и выделенной области (f). Врезка — компьютерная модель структуры кристалла. На рисунках (c) и (f) медь, хром и селен обозначены зеленым, розовым и оранжевым соответственно. Источник: Advanced Materials
«Наш подход позволил создать пленки CuCrSe2 толщиной всего 5,2 нанометра, при этом они продолжали демонстрировать свои сегнетоэлектрические свойства, — объясняет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Примечательно, что эти пленки сохраняют свою спонтанную поляризацию даже при температурах до 800 кельвинов, что значительно выше, чем наблюдалось в других аналогичных структурах».
Исследователи использовали различные методы микроскопии и спектроскопии, чтобы проверить структуру, состав и ферроэлектрические свойства полученных пленок CuCrSe2. Измерения пьезоотклика с помощью силового микроскопа предоставили решающие доказательства переключаемой поляризации нового материала.
Этот прорыв сулит большие перспективы для разработки миниатюрных электронных устройств с улучшенными характеристиками и функциональными преимуществами. Возможность создавать высокотемпературные сегнетоэлектрические пленки открывает двери для применения в различных областях, например в чипах памяти высокой плотности, сверхчувствительных датчиках и транзисторах следующего поколения.
«Наши результаты не только представляют новый класс высокоэффективных сегнетоэлектрических материалов, но и дают ценные сведения об основных механизмах, управляющих сегнетоэлектричеством на атомном уровне, — заключает Василий Столяров. — Эти знания могут проложить путь к проектированию и разработке еще более совершенных сегнетоэлектрических материалов в будущем».
