Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 11

Таблицу 1) имеет «обычный» вид, характерный длясегнетоэлектрика. Пленки с меньшими концентрациями и меньшимиэпитаксиальныминапряженияминаходятся,вероятно,всостояниисмешанных фаз, но при этом находящихся вблизи фазового перехода. Нарисунках 21 (б,в,г) пунктирной линией показано графическое приближениемодели трех состояний, основанное на проведенном анализе, из которогоследует, что при концентрации Ba x=0,15 и x =0.3 наблюдается «двойная» и«тройная» петля, соответственно.Таким образом, возникновение гистерезиса для исследуемых пленокBSTO при комнатной температуре можно объяснить изменением фазовогосостояния (появлением новой фазы) в результате воздействия эпитаксиальныхнапряжений.

На основе кристаллографического анализа можно сказать, чтоповышение концентрации катионов Ba смещает структурный фазовыйпереход в слое BSTO из Pm3m (центросимметричный) в P4mm (полярный) вобласть более высоких (комнатных) температур. Используя метод ГВГ, мыподтверждаем факт наличия граничной (смешанной) фазы Pm3m/P4mm.Слабый асимметричный характер зависимости ГВГ от приложенногонапряжения, наблюдавшийся для образцов с концентрациями Ba x=0.15 иx=0.5, свидетельствует о наличии в структуре малой непереключаемой74поляризации.

В целом эти результаты подтвердили высокое качествокристаллической структуры слоя BSTO.Бислойные структуры BSTO/LSMO на подложке STO с3.2.2.вариацией толщины сегнетоэлектрического слоя.В данном разделе рассматриваются результаты экспериментальныхисследований образцов BSTO/LSMO с концентрацией Ba x= 0.15 и толщинойслоя сегнетоэлектрика BSTO dBSTO = 50 и 25 нм. Толщина слоя манганитаLSMO составляла 20 нм.Исследовалась зависимость интенсивности ВГ от приложенногонапряжения к планарным электродам. Кривые, представленные на рисунке24(а), нормированы на толщину сегнетоэлектрической пленки.

Экспериментпоказал, что максимальный сигнал интенсивности ВГ наблюдается в P-Pполяризационнойгеометриипадающегоиотраженноголуча.Несимметричный характер зависимости свидетельствует о наличии вструктуренепереключаемойсегнетоэлектрическихполяризациисвойствобразца,зависящей[147],такиоткакотнапряженийрастяжения/сжатия на границе раздела слоев.Нарисунке24представленырезультатыэкспериментальныхисследований зависимости интенсивности сигнала ВГ от приложенногонапряжения для бислойных образцов BSTO/LSMO с разной толщиной слояBSTO.

Из аппроксимации квадратичной зависимости ВГ выражением (19)2были вычислены подгоночные параметры , 0 и , с учетом которых затемна основе формулы (20) были восстановлены петли сегнетоэлектрическогогистерезиса в структуре (рис.24(б)).75Рисунок 24. Зависимость интенсивности ВГ при приложениивнешнего электрического поля (а) и вычисленной на основе соотношения(20) сегнетоэлектрической поляризации в пленке Ba(x)Sr(1-x)TiO3сконцентраций x = 0.15 и толщиной - 25 нм и 50 нм (б).Из рисунка 24 видно, что изменение толщины сегнетоэлектрическогослоя не меняет эффективность переключения и формы петли гистерезиса ВГ.76Увеличение толщины сегнетоэлектрической пленки увеличило фоновый сдвигв 4 раза.В ходе обработки результатов показано, что в бислойных структурахинтенсивность сигнала ВГ содержит значительный вклад непереключаемойчасти поляризации: петля нелинейно-оптического гистерезиса несимметричнаотносительно нулевого напряжения и имеет большой «фоновый» сдвиг.Изменения типа сегнетоэлектрической петли в зависимости от толщины,замечено не было.3.3.

Анализ взаимодействия между слоями BSTO/LSMOКак было показано в главе 2, зависимости интенсивности ВГ отприложенного поля, изображенные на рисунке 21 (а), могут быть такжеаппроксимированывыражением(10).Расчетэтоговыражениядаетвозможность получить параметр , по сути относящийся к диэлектрическойпроницаемости. Подробно расчёт проведен в п.2.1.1:α∝χ (0) (ε − 1)d( fω Eω fω Eω )(17)Выражение, данное в формуле выше, и d – расстояние междуэлектродами - одинаковы для всех экспериментов и образцов, поэтому, вотносительных единицах коэффициент может быть записан как:α ∝ χ (0) (ε − 1)(18)По зависимостям, представленным на рисунке 25, можно сказать, чтопараметр α, который как уже было сказано можно отнести к диэлектрическойпроницаемостисегнетоэлектрическогослоя,показываетувеличениенепереключаемой части поляризации с увеличением концентрации катиона BaвBa(x)Sr(1-x)TiO3.Посуществу,этоозначает,чтостатическаясегнетоэлектрическая поляризация первоначально указывает на границураздела BSTO/LSMO, и только при x = 0,3 направление поляризации близится77к нормальной поверхности BSTO.

Это становится очевидным прирассмотрении изменения деформации с помощью теории двухъямногопотенциала. Концентрация катиона Ва вызывает большое межфазное«деполяризующее» электрическое поле, направленное к поверхности BSTO,которое действует как приложенное электрическое поле, нарушающееэнергию потенциала двух ям, и вытесняет ионы Ti4+ к поверхности, вызываяполяризациюводномнаправлениивдольинтерфейсаBSTO/LSMO(остаточная поляризация).Рисунок 25. Зависимостьпараметра,пропорциональногодиэлектрической проницаемости, от концентрации катиона Ba.3.4. Выводы по главе 3Таким образом, изменение концентрации катиона Ba в слое BSTO,включенноговдвухслойнуюгетероструктурусегнетоэлектрик(BSTO)/ферромагнетик(LSMO) от 0,15 до 0,5 приводит к изменению интерфейсногонапряжения от 1,4% до 2.3%. Показано, что эпитаксиальная деформация (от1,4% до 2.3%) в этих гетероструктурах повышает температуру фазовогоперехода BST (Pm3m → P4mm) до температуры, близкой к комнатной.Наибольшее значение поляризации при наименьших диэлектрических потерях78(что существенно важно при использовании этих структур для электрооптических модуляторов) при комнатной температуре обнаружено усегнетоэлектрической пленки со значением концентрации катиона Ba равнымx = 0,5 (интерфейсное напряжение 2,2%, ΔТС ~70К).

Экспериментальнопоказана возможность изменения формы сегнетоэлектрической петли, путемизменения величины эпитаксиального напряжения. Изменение концентрациикатиона Ba приводит к изменению формы сегнетоэлектрической петли от«двойной», при x=0.15, к «тройной», при x=0.3 и к «обычной» при x=0,5, что,в свою очередь, может быть использовано при создании пленок смультистабильными фазами, имеющих потенциальное применение в качествефункциональных элементов сегнетоэлектрических многобитовых ячеек.Таким образом, как было показано в главе 1 «двойная» петля имеет двапереключаемых состояния, реализуемых в ненулевых электрических полях.Кроме того, «тройная» петля дает возможность реализации дополнительныхпроцессов с двумя каналами, в которых доступны два переключаемыхсостояния в ненулевом поле.79Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИТЕОРЕТИЧЕСКИЕИССЛЕДОВАНИЯ МУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР YFeO3/LaFeO3.Как было показано в п.1.2, мультислойные структуры и сверхрешеткимогут рассматриваться как наиболее перспективные материалы дляреализации МЭ взаимодействия за счет формирования эпитаксиальныхнапряжений на границах (моно)слоев, обладающих различными ферроиднымисвойствами.

Одним из ярких примеров подобных материалов являютсямультислойные структуры YFeO3/LaFeO3.Этиструктурысконструированы из двухперовскитов AFeO3,обладающих слабым ферромагнетизмом (А - различные катионы, либо Y, либоLa).Диэлектрическаяполяризациявозникаетзасчетуничтоженияинверсионной симметрии внутри индивидуальной группы AFeO3. Изменениесимметрии возникает за счет различного поворота кислородных октаэдров вкаждойиздвухсоставляющих,чтоприводиткпоявлениюнескомпенсированного дипольного момента на границе двух материалов.Эффект был подтвержден исследованиями по дифракции электронов [38].Общая намагниченность гетерострукутры является результатом суперпозицииэффектов, наблюдавшихся для отдельных материалов, что подтвержденомагнито-оптическими измерениями [38].4.1.

Описание образцов и способ их изготовления.Исследуемые мультислойные структуры YFeO3/LaFeO3 имеют структурусверхрешетки. Эта сверхрешетка состоит из чередующихся слоев YFeO3 иLaFeO3общейтолщиной,равнойсуммарнойтолщинемонослоев.Исследуемая серия сверхрешеток (YFeO3)n/(LaFeO3)n (n-число монослоев вкаждого материала в паре) была выращена на подложке DyScO3 (DSO) скристаллографическим срезом (001) методом импульсной лазерной абляции сиспользованием ультрафиолетового KrF лазера с длиной волны 248 нм.Схематично сверхрешетка с одинарным монослоем в паре показана на рисунке8026(а).

Сверхрешетка с тройным монослоем в паре показана на рисунке 26(б).Число монослоев варьировалось от 1 до 5, причем общая толщина “сэндвича”YFO/LFO для всех структур составляла 160нм.(б)(а)Рисунок 26. Схемананоразмерноймультислойнойструктуры(YFeO3)n/(LaFeO3)n (YFO/LFO) на подложке DyScO3 (DSO). Общаятолщина низкоразмерных пленок 160 нм. Показаны модели структур дляслучаев, чередующихся монослоев LFO и YFO при n = 1(а) и n = 3(б).На рисунке 27 слева схематично изображены чередующиеся атомарныеслои YFO и LFO. Справа на этом же рисунке представлено микроскопическоеизображение реальной сверхрешетки [(YFeO3)5/(LaFeO3)5]40 (изображениеполучено методом сканирования пучка в просвечивающем электронноммикроскопе с возможностью темнопольного детектирования электронов,рассеянных на больших углах, при помощи кольцевого детектора, HAADFметод).

На рисунке хорошо видны атомарные слои каждого материала.81Рисунок 27. Принципиальная схема сверхрешетки (слева), изображениепросвечивающей растровой электронной микроскопии с регистрациейвысокоугловых прошедших электронов (HAADF-метод) микроскопиисверхрешетки [(YFeO3)5/(LaFeO3)5]40 (справа) [38].Был проведен рентгенографический анализ полученных структур надифрактометре ДРОН-4 (λCuKα).

На рисунке 28 показаны рентгенограммы,полученные для выращенных на подложке DSO сверхрешеток с разнымколичеством монослоев. Видно, что сигналы с пленки очень слабые. Такжедифракционный пик от подложки совпадает с пиком LFO, что сильнозатрудняет рентгенографический анализ. Это хорошо видно на рисунке 28 (а):при угле 22,593 градусов наблюдается один и тот же пик для двух структурLFO и DSO. На структурах с числом n=3 и 5 пики пленки практически ненаблюдаются.82Рисунок 28. Рентгенограммы сверхрешеток (YFeO3)n/(LaFeO3)n: (а) n=1;(б) n=3; (в) n=4; (г) n=5.Периодичность сверхрешетки также была подтверждена результатамирентгенографического исследования, проведенного в университете Ливерпуля[38].Исследованиярентгеновскогораспределенияизлучениявблизиинтенсивностинулевогоузладифрагированногообратнойрешеткипроводились в диапазоне углов 0.1 – 4º с шагом сканирования 0,05º. На основерезультатов дифрактограмм малоуглового рентгеновского рассеяния былиполучены параметры кристаллических решеток.