Гетероструктурные многослойники и сверхрешетки на основе феррит-висмута и титаната бария стронция на подложках оксидов магния и алюминия-лантана

Объект исследования - многослойные гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок. Цель исследования - разработать способ создания многослойных гетероструктур сегнетоэлектрик - мультиферроик на важных с точки зрения подложках MgO и LaAlO₃, отвечающий следующим требованиям: толщина каждого слоя должна варьироваться в интервале 3 - 100 нм, переходная зона между слоями не более 0,2 нм, для чего рост каждого слоя должен отвечать слоевому механизму; экспериментально на основе данных рентгеноструктурного анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния света и радиофизических исследований в миллиметровом диапазоне длин волн определить критическую толщину слоев, при которой многослойная структура переходит в новое сверхрешеточное состояние. Ожидается, что в сверхрешетках присутствие дополнительной периодичности приведет к появлению новых физических свойств, что делает эти объекты привлекательными как для фундаментальной, так и для прикладной физики конденсированного состояния. Разработан новый способ создания многослойных гетероструктур, принципиальное отличие которого от известных аналогов состоит в том, что рост монокристаллических пленок происходит из дисперсной фазы оксида, образующегося в плазме сильноточного высокочастотного разряда при распылении керамической мишени на кластерном уровне. Показано, что энергетическое состояние дисперсной фазы наиболее адекватно отображается обобщенным параметром (энергетика пучковых электронов). Разработан способ его количественного определения на основе оптической эмиссионной спектроскопии. Механизмами роста, степенью структурного совершенства, а тем самым и свойствами пленок, можно широко варьировать, находясь в рамках трехмерного фазового пространства b,p,q, где q -степень структурного совершенства пленки, p - давление кислорода. Таким образом, впервые многопараметрическую задачу условий получения пленок удалось свести к одной фазовой диаграмме, что существенно упрощает создание гетероструктур по заданному механизму роста (по Франку - Ван дер Мерве или по Вольмера - Вебера). При исследовании гетероструктур MgO + Ba₀,₈Sr₀,₂TiO₃(BST08) + Ba₀,4Sr₀,₆TiO₃(BST04) и MgO + BST04 + BST08 обнаружен новый эффект, обусловленный наличием критической толщины и последовательностью слоев. В частности, для MgO + BST08 + BST04 при толщине слоев меньше 70 нм наблюдалось расщепление рефлексов (00L) на компоненты, положения которых соответствовали параметрам с 0,3946 и 0,4040 нм соответственно, а параметры элементарной ячейки в плоскости подложки для этих двух составов в гетероструктуре оказались одинаковы а08 = а04 = 0,3974 нм. Однако при изменении чередования слоев, параметры с 0,3958 нм принимали одинаковое значение для каждого слоя. При увеличении толщины слоев больше 70 нм такой эффект не наблюдался. Проведено комплексное исследование многослойных гетероструктур MgO + BST + BiFeO₃(BFO). Обнаружено, что после осаждения на поверхность гетероструктуры MgO + BST пленки BFO в нижнем слое BST повышается степень тетрагональности. На основе анализа рентгеноструктурных данных и поляризованных спектров КРС показано, что это связано с изменением двумерных растягивающих напряжений в плоскости подложки на сжимающие. Однако, как и в многослойниках MgO + BST08 + BST04, значение критической толщины сохраняется (70 нм). Известно, что управление свойствами объемных сегнетоэлектрических материалов осуществляется в основном вариациями состава. Показано, что в гетероструктурах на сегнетоэлектрических пленках открывается новая возможность управления свойствами путем создания контролируемой деформации элементарной ячейки. Установлено, что деформация ячейки существенно зависит от толщины пленки и определяется механизмами роста (по Франку - Ван дер Мерве или по Вольмера - Вебера) не только количественно, но и качественно с точки зрения появления новых фаз, не реализующихся в объемных материалах. Появление в области наноразмерных пленок (меньше 40 нм) аа- и r-фаз, имеющих орторомбическую и моноклинную симметрию соответственно, приводит к существенному повышению реориентационной и остаточной поляризации и коэффициента перестройки диэлектрической проницаемости под действием внешнего электрического поля. Установлено, что формирование сверхрешетки из чередующихся слоев BST и BNFO (20 пар) происходит при толщине каждого слоя меньше 10 нм. Разориентировка по нормали к поверхности сверхрешетки (определенная по ширинам кривых качания отражения (002)) составляла 0,5°, а в азимутальном направлении - 0,9°. Проведен численный эксперимент по моделированию рентгеновских дифракционных максимумов от сверхрешетки на основе BST-BFO. В качестве переменных параметров использовались межплоскостные расстояния BST и BNFO и индивидуальные толщины каждого слоя. Спектры рекомбинационного рассеяния для сверхрешеток BST/BNFO (34 слоя с периодом 7 нм) имеют принципиальное отличие от спектров многослойных структур, что свидетельствует о формировании нового материала, не реализующегося в объёмных образцах.