Гетероструктуры на основе бессвинцовых сегнетоактивных материалов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы: особенности синтеза и роста, фазовые состояния и фазовые превращения, физические свойства

Огромный потенциал применений и фундаментальный интерес к сегнетоактивным материалам обусловлен существованием в них кроме определяющего их физического явления (переключения спонтанной поляризации) высокой диэлектрической проницаемости, пьезо- и пироактивности, диэлектрической нелинейности и электрооптического эффекта. Однако, как отмечено в актуальных Российских и зарубежных аналитических обзорах по данной тематике, отсутствие удовлетворяющих основным требованиям сегнетоэлектрических материалов в виде наноразмерных пленок (низкие температуры кристаллизации, отсутствие примесного загрязнения технологического оборудования при синтезе и т.д.) является одной из ключевых проблем. Это свидетельствует о актуальности исследований в этом направлении и именно решению этой проблемы посвящен представленный проект. В качестве таких новых материалов предлагаются использовать гетероструктуры (как однослойные, так и многослойные) на основе двух одноосных сегнетоэлектрических материалов со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы с общей химической формой (A1)2(A2)4(C)4(B1)2(B2)8O30, один из которых в крупнокристаллическом состоянии при обычных условиях находится в сегнетоэлектрическом состоянии и характеризуется высокими знамениями пироэлектрического тока и электрооптического эффекта (BaxSr1-xNb2O6, температура Кюри твердого раствора повышается от 320 °С (х = 0.25) до 620 °С (х = 0.75)), а второй – мультиферроик Ba2NdFeNb4O15 (температуры магнитного и сегнетоэлектрического фазовых переходов ниже 300 К), но при этом имеющих практически идентичный структурный каркас (в данном случае – Nb2O6) и близкие значения параметров элементарных ячеек. Как индивидуальное соединения в виде тонких пленок Ba2NdFeNb4O15 впервые был получен в последнее десятилетие. Объекты будут синтезированы с использованием развиваемого преимущественно в России одностадийного метода ВЧ-катодного распыления в атмосфере кислорода при низких температурах (500-650 °C), в рамках которого состав пленок сохраняется, а легирование пленки конструкционными элементами не происходит. Для изготовления конденсаторных структур металл-сегнетоэлектрик-металл будут использованы эпитаксиально выращенные слои Pt или SrRuO3. Для установления закономерностей формирования фазового состава, кристаллической структуры, доменной структуры, свойств и фазовых превращений объектов будут использованы методы рентгендифракционного анализа, взаимодополняющие - оптическая, электронная и сканирующая зондовая микроскопии, спектральная эллипсометрия, и подходы, базирующиеся на применении диэлектрической спектроскопии. Исследование характера и особенностей переключения поляризации, эффектов «памяти», «усталости» и естественной униполярности доменного строения будет осуществлено на основе анализа полевых и временных зависимостей поляризационного, пьезо- и пирооткликов (в гетероструктурах металл-сегнетоэлектрик полупроводник будут учтены особенности проявления «эффекта поля»). Топография, доменная структура, процессы локального переключения и релаксация сигнала заполяризованных областей пленок при различных температурах будут изучены методами сканирующей зондовой микроскопии в режимах силовой микроскопии пьезоотклика и Кельвин моды. Описание установленного влияния деформационных полей на температуру фазовых превращений в пленках BaxSr1-xNb2O6 и Ba2NdFeNb4O15 будет осуществлено с использованием феноменологической теории фазовых переходов. Полученные результаты позволят впервые установить закономерности проявления размерных эффектов и формирования свойств в гетероструктурах на основе BaxSr1-xNb2O6 и Ba2NdFeNb4O15, выявить особенности их синтеза и роста, реализуемые фазовые состояния и фазовые превращения, новые физические свойства, которые позволят их в дальнейшем применять в новых устройствах функциональной электроники с адаптивной функциональностью, МЭМС и элементах памяти.