Комплексное исследование пленок Ba(0.8)Sr(0.2)TiO3 на подложках MgO

Проведено комплексное исследование структуры сегнетоэлектрических пленок Ba₀,₈Sr₀,₂TiO₃ различной толщины (от 2 до 120 нм), выращенных эпитаксиально-модифицированным методом магнетронного распыления на монокристаллических подложках MgO (001). Получение данных о структуре наноразмерных сегнетоэлектрических пленок является актуальной материаловедческой задачей, так как было показано, что электронно-управляемые устройства с хорошими характеристиками можно построить на наноразмерных пленках (толщиной менее 20 нм), находящихся в сегнетоэлектрической фазе. Для получения наиболее достоверных данных о структуре как самих пленок, так и границы раздела пленка - подложка были применены экспериментальные методы, такие как просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ), в том числе с использованием микроскопов с коррекцией аберраций и растрово-просвечивающего режима с широкоугловым детектором темного поля (HAADF STEM), атомно-силовая микроскопия в контактном режиме и режиме пьезоэлектрического отклика, а также ряд теоретических методов анализа, включающий моделирование электронно-микроскопических (в том числе HAADF STEM) изображений, анализ дислокаций несоответствия методом геометрической фазы и атомистическое компьютерное моделирование границы раздела. Образцы для исследований методами ВРЭМ и HAADF STEM изготавливались с использованием современного метода фокусированных ионных пучков (ФИП). Эти методы на сегодняшний день являются лучшими для исследования структуры наноразмерных объектов, в том числе ультратонких пленок и границ раздела на атомарном уровне. Написана программа для извлечения количественной информации об относительном химическом составе атомных колонок, содержащихся на границе раздела из HAADF STEM - изображений, позволившая получить новые данные о строении границы раздела гетеросистемы BST/MgO. Программа была протестирована на модельных HAADF STEM - изображениях, после чего успешно применена к экспериментальным изображениям. На основе полученных этим методом данных были построены модели различных вариантов строения границы раздела, в том числе с наличием моноатомной ступени на поверхности подложки, приводящей к смене плоскости роста пленки. Также на основе данных ВРЭМ и метода анализа геометрической фазы показано, что пленки растут по слоевому механизму, а релаксация напряжений происходит путем движения дислокаций несоответствия к границе раздела при увеличении толщины пленки. Показано, что минимальная толщина пленок BST, полученных модифицированным методом магнетронного распыления, составляет 2 нм. Установлено, что в пленках BST плоскостями начала роста кристаллической решетки перовскитной фазы могут выступать как плоскости TiO₂, так и плоскости Ba(Sr)O. При этом происходит диффузия ионов Ba(Sr) в подложку в областях между дислокациями несоответствия. Впервые проведены атомистическое моделирование и оптимизация структуры границы раздела BST/MgO при реализации начальной плоскости роста Ва(Sr)O, и показано, что наличие рельефа подложки приводит к изменению плоскости роста пленки с плоскости с наилучшей адгезией, которой в случае BST является TiO₂, на плоскость с худшей адгезией - Ba(Sr)O. Впервые методом АСМ визуализирована сегнетоэлектрическая доменная структура ультратонких пленок BST толщиной 6 и 12 нм.