Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 4

Эти фазовые состояния чаще всего существуют при низкихтемпературах. Но за счет эпитаксиальных напряжений мультистабильныефазы можно сдвигать в область комнатных температур.На рисунке 6 показано гистерезисное поведение поляризации пленкиPbTiO3 в зависимости от фазы, которая в свою очередь зависит отэпитаксиального напряжения и температуры. Фазовая диаграмма напряженийот температуры um-T содержит три фоновые сегнетоэлектрические фазы (c, aa,r) и параэлектрическую фазу [29,30]. Четыре варианта петли гистерезисасоответствуют разным фазовым состояниям пленки. Все эти процессыреализуются в разных частях фазовой диаграммы.

Петля II соответствует 4логам (2-битным) полностью переключаемым состояниям. В цикле Iотображается сегнетоэлектрическая многобитовая ячейка с четырьмя логами,в котором скрыты 2 лога. Фазовые состояния II и III завершают возможныйпроцесс переключения в а-фазе. Двойная петля IV имеет только одинустойчивый лог, но два других переключаемых состояния могут бытьреализованы в ненулевых электрических полях. Из фазовой диаграммы видно,что необходимые области для реализации мультибитных состояний оченьблизки к точкам фазового перехода первого рода.

Таким образом, результатыработы[29]позволяютразрабатыватьмногобитныенебулевыеинформационные технологии. Однако для решения этих задач необходимпоиск и создание материалов с фазовыми состояниями в более широкомтемпературном диапазоне, зависящем от эпитаксиального напряжения.1.2. Изменениепространственнойсимметриивоксидныхгетероструктурах для устройств микро- и наноэлектроники.Поскольку МЭ взаимодействие имеет принципиальное значение длямногих перспективных приложений современной микро- и наноэлектроники,23поиск способов повышения его эффективности является весьма актуальной,но при этом достаточно сложной задачей как в техническом, так и вфундаментальном аспекте.

Проблема заключается в том, что вещества смаксимальными значениями поляризации и намагниченности обладаютантагонистическими требованиями к их химическим свойствам, в частности ккатионным связям. Например, синтез однофазной комбинации электрическойполяризации Р и спонтанной намагниченности М крайне затруднен из-заразличных требований к электронной структуре для основных механизмов,генерирующих каждое свойство [31]. Так, катионы d0Ti4+ и s2Pb2+ с закрытойоболочкой, которые генерируют поляризацию в сегнетоэлектрическомперовскитном оксиде PbZr1-xTixO3, не имеют непарных электронов,необходимых для возникновения намагниченности [32].Эффективное объединение этих двух дальних порядков представляетинтерес для устройств хранения информации, которые могли бы преодолетьнедостатки сегнетоэлектрической памяти (низкая скорость записи) имагнитной памяти произвольного доступа (высокая плотность мощности)[33,34], а также уменьшить потребление энергии.

Одним из способов такогообъединения может стать создание композитов с резкими границами фаз,обладающих требуемыми химическими свойствами [35], или путемпонижения пространственной симметрии при возникновении магнитногопорядка при низких температурах [36].Примеромсозданиямультиферроидныхструктур,обладающихпотенциально высоким коэффициентом МЭ взаимодействия, является подход,предложенный в работе [37], где для преодоления указанных проблем былииспользованыхимическиконтролируемыесмещенияионоввкристаллической структуре слоистого перовскита (CaySr1–y)1.15Tb1.85Fe2O7,благодарякоторымвданномматериалеодновременновозникаютэлектрическая поляризация и намагниченность при температурах вплоть до330К. Полученная таким образом поляризация и намагниченность, хотя и24обладали сравнительно низкими значениями, были достаточны для ихдетектирования, а также проявляли магнитоэлектрическое взаимодействие,эффективность которого зависела от параметров решетки (и, в итоге, отэпитаксиальных напряжений) полученных структур.Еще одно направление поиска мультиферроидных материалов –создание мультислойных гетероструктур.

Первоначально основным методомсоздания мультиферроидных гетероструктур являлось чередование слоевматериаловссегнето(пьезо,пиро)электрическимисвойствами[31-34].взаимодействиеВподобныхобеспечивалось,структурахвиферромагнитнымимагнитоэлектрическоеосновном,взаимовлияниеммагнитострикционных и пьезоэлектрических свойств. Первоначально дляизготовления таких структур использовалось механическое соединениематериалов. В этом случае на границе раздела возникал дополнительный слой,который мог существенно искажать результирующие свойства структуры изаметно снижать эффективность МЭ взаимодействия.

Методики послойногоосаждения слоев с различными функциональными параметрами (например,методом МЛЭ) также приводят к формированию на границе разделанарушенного слоя. При сравнительно малых размерах, этот слой, тем не менее,также может снижать (вплоть до полного подавления) мультиферроидныесвойства структуры.В связи с этим активно разрабатываются и развиваются методы созданиямультислойных структур и сверхрешеток, в которых новые, в том числемультиферроидныесвойства(например,снижениепространственнойсимметрии) может осуществляться за счет варьирования напряжений награницах раздела слоев.

Возможность контролируемого подбора материалов сразличными кристаллографическими параметрами (а, следовательно, сзаранее заданными свойствами) обеспечивает практическое применение такихгетероструктур в широком диапазоне магнитоэлектронных устройств новогопоколения [35].25Наличие напряжений на границах раздела слоев могут приводить квозникновению функциональных свойств, не проявляющихся в объемныхматериалах, составляющих сверхрешетку.

Так, например, в работе [38] былапоказана возможность создания сверхрешетки, состоящей из чередующихсяслоев центросимметричных и, следовательно, неполярных материалов YFeO3и LaFeO3 толщиной порядка 5 нм каждый. Для этих структур общей толщиной160 нм показано возникновение нецентросимметричности и полярногоупорядочения. Таким образом была продемонстрирована возможностьсозданиязасчетэпитаксиальныхнапряженийновыхкомпозитныхмультиферроидных материалов.1.2.1.Свойства сверхрешеток, возникающие под воздействиемэпитаксиальных напряжений.Сверхрешетка (СР), представляет собой кристалл, состоящий из строгочередующихся слоев разных материалов толщиной в несколько атомов.Комплексноерешеточныхвзаимодействиестепенейспиновых,свободызарядовых,обеспечиваетвСРорбитальныхивозникновениедополнительных фаз и физических явлений [39–42].

Изготовление такихструктур — технологически непростая задача, несмотря на то, чтосовременные технологии обеспечивают возможность синтезировать слоисложных оксидов толщиной в один атомный слой [43,44]. Их выращивают вглубоком вакууме, напыляя на подложке слой за слоем нужное вещество. Обатипа вещества, а также сама подложка, должны обладать схожейкристаллической решеткой. Наиболее распространёнными методами длясоздания СР являются: метод вакуумного напыления, метод молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ), методы жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) игазофазной эпитаксии (ГФЭ).Мультиферроидные свойства СР достигаются с помощью комбинацииферромагнитных и сегнетоэлектрических слоев [45].

В таких структурахиспользуются различные оксидные сегнетоэлектрические тонкие пленки, в26том числе перовскиты Pb(Mg, Nb)O3-PbTiO3 [46], PbZrTiO3 [47], BaSrTiO3 [47].Ферромагнитный слой может быть представлен либо ферромагнитнымметаллом, либо ферромагнитным оксидом (перовскитом).Мультиферроидные СР интересны из-за их уникальных физическихсвойств, проявляющихся в результате сильной корреляции между спином,зарядом, параметрами решетки и орбитальной степени свободы. В частности,они обладают большим отрицательным магнитосопротивлением вблизиперехода металл-диэлектрик (МД) для состава x = 1/3.

В LCMO металлическаяфаза является ферромагнитной, в то время как изолирующая фазапарамагнитна. Были найдены температуры фазовых переходов металлдиэлектрик и ферромагнетик-парамагнетик (ФМ/ПМ), которые заметноотличаются для тонких пленок. Как было показано в [48], сопротивление СРдемонстрирует максимум при температуре фазового перехода TМД = 157 K, вто время как намагниченность проявляется при температуре Кюри TC = 190 К[49].Сдругойсосуществоватьстороны,болеедвухвмультиферроидномферроидныхматериалеупорядочений,могутнапример,ферромагнитное, сегнетоэлектрическое, сегнетоэластичное и т.д., чтопозволяет осуществлять МЭ взаимодействие через сильную перекрёстнуюсвязь между ними, как показано на рисунке 7.27Рисунок 7. Перекрестнаясвязьмеждуферромагнетизмом,сегнетоэлектричеством и сегнетоэластичностью [50].Как видно из рисунка 7, помимо управления намагниченностью иполяризацией магнитным и электрическим полем, существуют напряжения идеформация, позволяющая контролировать обратную магнитострикцию,например, магнитоупругий эффект.