Ученые из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ с коллегами из МИРЭА, а также из Чехии и Финляндии, показали, как получать тонкие пленки титаната стронция с заданными диэлектрическими свойствами. В работе физики изучили влияние примесей на стабильность сегнетоэлектрического состояния материала при различных температурах. Тонкие пленки с настроенными диэлектрическими параметрами можно применять в микроволновых устройствах, накопителях электроэнергии и блоках памяти компьютеров. Работа опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
Титанат стронция (SrTiO3) — кристаллический материал, часто применяемый в современной электронике в устройствах, которые работают на микроволновых частотах, например в фазовращателях. Титанат стронция можно переводить в фазу сегнетоэлектрика, когда у него возникают несколько стабильных состояний поляризации. Эти состояния можно переключать, прикладывая электрическое поле, что похоже на перевод бита из 0 в 1 и обратно. Такая особенность позволяет создавать на основе сегнетоэлектриков ячейки памяти, которые могут заменить современные жесткие диски. Широкий спектр приложений титаната стронция объясняется высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями при передаче электрического сигнала на СВЧ-частотах. Свойства материала можно настраивать многими способами, однако не все механизмы такой подстройки хорошо изучены.
Физики из МФТИ запустили исследовательский проект, в результате которого должны быть установлены механизмы управления диэлектрическими свойствами титаната стронция: получены соединения с заданной диэлектрической проницаемостью. Для практического применения важно изготавливать тонкие пленки, которые бы сохраняли уникальные аспекты поведения диэлектрических свойств кристаллов и были бы пригодны для интеграции в чипы.
Один из авторов работы, сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Александр Мелентьев, рассказывает: «Титанат стронция — очень разносторонний материал, его используют во многих областях, но нельзя сказать, что он полностью изучен. Нас интересует сегнетоэлектрическая мягкая мода и вообще все, что связано с полярной фазой этого соединения. У кристаллов титаната стронция вплоть до терагерцовых частот очень низкие диэлектрические потери. В этой работе мы хотели, не увеличивая существенно потери, добиться сохранения диэлектрической проницаемости в другой форме титаната стронция, например в тонких пленках, а также путем добавления примесей научиться целенаправленно изменять диэлектрическую проницаемость для потенциальных приложений, когда нужна не просто максимальная, а какая-то конкретная ее величина».
В этой работе ученые рассматривали то, как влияет на тонкие пленки титаната стронция (толщиной порядка 150 нанометров) добавление ионов переходных металлов (марганца, железа, никеля или кобальта). Физики измерили диэлектрические свойства пленок в оптическом и терагерцовом диапазоне при разных температурах.
Исследователей интересовала сегнетоэлектрическая фаза титаната стронция и так называемая мягкая мода. Чистый титанат стронция нестабилен в этом состоянии, что можно исправить, например, допировав кристалл ионами переходных металлов. Достаточно добавить 2% примесей (это значение концентрации ученые установили в предыдущей работе не с пленками, а с кристаллами), чтобы серьезно изменить свойства материала. Для количественной оценки эффекта физики рассмотрели зависимость диэлектрической проницаемости и потерь от частоты и температуры. Зависимость параметров сегнетоэлектрической мягкой моды от температуры показывает, что полярное состояние может быть нестабильно (из-за квантовых флуктуаций, локальных напряжений и других факторов), что должно учитываться в практических применениях титаната стронция.
Зависимость действительной (сверху) и мнимой (снизу) частей диэлектрической проницаемости титаната стронция от температуры на разных частотах от 0 до 3 терагерц (ось абсцисс). Максимум в спектре мнимой диэлектрической проницаемости — сегнетоэлектрическая мягкая мода. Источник: Journal of Alloys and Compounds
Физики отмечают практический характер работы и в дальнейшем планируют более детально изучить влияние на свойства титаната стронция каждого механизма: толщины пленок, методов их получения, состава примесей. Сейчас ученые научились получать пленки с заданной диэлектрической проницаемостью для использования в конкретных приложениях в микроволновых устройствах.
Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, поясняет: «Цель всего проекта — научиться управлять свойствами титаната стронция. Мы планируем продолжить изучение данного соединения и других квантовых параэлектриков, определить влияние на диэлектрические свойства различных условий: атмосферы роста, стехиометрии составов, разного количества кислородных вакансий, допантов. В итоге хотим на основании всей полученной информации найти общие механизмы действия, каким образом каждое из этих условий влияет на кристаллическую решетку, то есть как изменения свойств микроскопической структуры влияют на макроскопические свойства».
