Ученые МФТИ с коллегами с помощью терагерцовой спектроскопии исследовали сегнетоэлектрические свойства пленок титаната стронция, обусловленные температурной динамикой низкочастотного полярного фонона (мягкой моды). Авторами показано, что тонкие пленки титаната стронция (SrTiO3), допированные атомами переходных металлов, демонстрируют характерное для квантовых параэлектриков температурное поведение мягкой сегнетоэлектрической моды без признаков фазового перехода вплоть до низких температур (5 К). Работа опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
На стыке науки и технологий современные исследования в области материаловедения открывают новые горизонты. Одним из уникальных материалов является титанат стронция. Этот перовскит отличается исключительно высокой диэлектрической проницаемостью при низких температурах, что делает его подходящим для создания конденсаторов, сенсоров и других устройств. Его уникальные свойства можно модифицировать, например, используя химическое допирование для изменения его структуры.
Рисунок 1. Кристаллическая структура титаната стронция. Источник: Physics, Materials Science.
Титанат стронция широко используется в современной электронике и может быть полезным при создании новых микроэлектронных устройств. Его сильная сторона — высокая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери, что означает, что он может эффективно накапливать огромный электрический заряд. Кроме того, SrTiO3 сохраняет свои привлекательные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне, что делает его идеальным материалом для многих приложений, таких как системы телекоммуникации и элементы микроэлектронной техники.
Новое исследование, проведенное командой учёных, выявило интересные аспекты квантово-параэлектрического поведения тонких пленок SrTiO3, допированных переходными металлами — марганцем (Mn), железом (Fe), никелем (Ni) и кобальтом (Co). Используя импульсное лазерное напыление, ученые смогли получить пленки толщиной 150 нанометров и проанализировать их свойства с использованием терагерцовой спектроскопии.
Импульсное лазерное напыление (PLD) — это метод нанесения тонких пленок материалов на подложки с использованием лазерного излучения. Суть этого метода заключается в том, что мощный лазерный импульс направляется на целевой материал, который называется «тарелка» или «порошок». Лазерное излучение быстро нагревает поверхность этого материала, в результате чего происходит его испарение (или абляция). 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 т. н. сегнетоэлектрической «мягкой моды» в терагерцовых спектрах. Мягкая мода — это специфический тип колебаний атомов в материале (фононов), который можно изучить с помощью терагерцовой 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 специальный тип колебаний в структуре материала, который отвечает за формирование его сегнетоэлектрических свойств. В опытах с титанатом стронция ученые установили, что эти колебания ведут себя иначе в тонких пленках и нанокерамике по сравнению с объемными кристаллами.
В данном исследовании ученые обнаружили, что диэлектрический вклад и частота мягкой моды при понижении температуры ведут себя так, как предсказано в модели Барретта. Это значит, что свойства материала меняются при понижении температуры, но с определёнными необычными особенностями — система хоть и стремится к переходу в сегнетоэлектрическое состояние, но сегнетоэлектрический фазовый переход не происходит. В результате кристалл переходит в квантовый режим, а диэлектрическая проницаемость приобретает ультравысокие значения, что крайне интересно для применений в криоэлектронике.
Рисунок 2. Дестабилизация сегнетоэлектрического состояния при легировании переходными металлами. Источник: Journal of Alloys and Compounds.
Исследователи также выяснили, что можно изменять механические напряжения в пленках за счет разных коэффициентов теплового расширения материалов пленки и подложки. При соответствующем растяжении (или сжатии) свойства материала могут значительно изменяться, что позволяет манипулировать его сегнетоэлектрическими свойствами и даже повышать температуру фазового перехода до более высоких значений.
«Исследование показало сложную взаимосвязь между структурой пленок титаната стронция и их диэлектрическими свойствами, — рассказал 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».
Работа поддержана Российским научным фондом в рамках научного проекта 21-12-00358.
