Физики научились изменять диэлектрические свойства пленки из SrTiO₃

Пленки титаната стронция (SrTiO₃) с заданными диэлектрическими свойствами, которые востребованы в том числе в производстве микроволновых устройств, накопителей электроэнергии и блоков памяти компьютеров, научилась получать международная научная группа исследователей, 11 июля сообщает журнал МФТИ «За науку».

В своей работе физики из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ совместно с коллегами из «МИРЭА — Российский технологический университет», а также Чехии и Финляндии изучили влияние примесей на стабильность сегнетоэлектрического состояния пленок из титаната стронция при различных температурах.

Результаты исследований они представили в статье «Терагерцовая сегнетоэлектрическая мягкая мода в слаболегированных тонких пленках SrTiO₃: M (M=Mn, Ni, Fe, Co)», опубликованной в Journal of Alloys and Compounds.

Титанат стронция — широко востребованный в современной электронике материал, используемый в устройствах, работающих на микроволновых частотах, например в фазовращателях.

Титанат стронция можно переводить в фазу сегнетоэлектрика, то есть вещества, обладающего спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. При этом у SrTiO₃ возникают несколько стабильных состояний поляризации, которые можно переключать, прикладывая электрическое поле. Такой эффект напоминает перевод бита из 0 в 1 и обратно и позволяет создавать на основе сегнетоэлектриков ячейки памяти на замену современным жестким дискам.

Титанат стронция обладает высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями при передаче электрического сигнала на СВЧ-частотах, что и обуславливает его широкое применение. При этом свойства данного материала можно настраивать многими способами, не все из которых к настоящему времени хорошо изучены.

Проект, запущенный физиками из МФТИ, должен установить механизмы управления диэлектрическими свойствами титаната стронция, чтобы получать соединения с заданной диэлектрической проницаемостью. При этом для решения практических задач важно было научиться изготавливать тонкие пленки, которые бы сохраняли диэлектрические свойств кристаллов SrTiO₃, чтобы их можно было интегрировать в чипы.

Один из авторов работы, сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Александр Мелентьев, пояснил решаемую исследователями задачу:

«Титанат стронция — очень разносторонний материал, его используют во многих областях, но нельзя сказать, что он полностью изучен. Нас интересует сегнетоэлектрическая мягкая мода и вообще всё, 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».

Исследователи изучили влияние добавки ионов переходных металлов (марганца, железа, никеля или кобальта) на тонкие (толщиной порядка 150 нанометров) пленки титаната стронция, измеряя при этом диэлектрические свойства пленок в оптическом и терагерцовом диапазоне при разных температурах.

Исследователей интересовала сегнетоэлектрическая фаза титаната стронция и так называемая мягкая мода — состояние неустойчивости по отношению к одному из решеточных колебаний кристалла. Чистый титанат стронция нестабилен в этом состоянии, однако это можно исправить, допировав кристалл ионами переходных металлов.

Для этого, как установили ученые в предыдущей работе с кристаллами, нужно добавить 2% примесей, что значительно изменит свойства материала.

Физики установили зависимость параметров (диэлектрической проницаемости и потерь) сегнетоэлектрической мягкой моды от температуры. Она показала, что полярное состояние может быть нестабильно из-за квантовых флуктуаций, локальных напряжений и других факторов, и это нужно учитывать в практических применениях титаната стронция.

В своей дальнейшей работе ученые намерены более детально изучить влияние на свойства титаната стронция толщины пленок, методов их получения, состава примесей.

Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, уточнил:

«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».

Результатом уже выполненной работы стал способ получения пленок титаната стронция с заданной диэлектрической проницаемостью, что может быть использовано в конкретных приложениях в микроволновых устройствах.