Размерные и морфические эффекты в эпитаксиальных пленках сегнетоэлектриков

• Автор: Анохин, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Фазовые переходы и особенности динамики решетки кристаллов и тонких пленок оксидов и их твердых растворов со структурой перовскита (обзор
литературы)
1.1 Динамика решетки кристаллов и пленок БгТЮз
1.2 Динамика решетки кристаллов и пленок ВаТЮз при фазовых переходах
1.3 Динамика решетки керамики и пленок твердых
растворов (Ва, 8г)ТЮз при фазовых переходах
1.4 Особенности динамики решетки пленки (Ва, 8г)ТЮз
во внешнем электрическом поле
1.5 Динамика решетки кристаллов и пленок В1ЕеОз
2 Размерный и температурный эффекты в пленках (Ва, 8г)ТЮз по спектрам комбинационного рассеяния света (КРС)
2.1 Фазовые состояния пленок (Ва, 8г)ТЮз/М§0 различной толщины
2.2 Фазовая диаграмма «деформация несоответствия - температура» пленок
(Ва, 8г)ТЮз/М§0 различной толщины
2.3 Выводы к разделу 2
3 Особенности динамики атомной решетки пленки (Ва, 8г)'ПОз/МрО
во внешнем электрическом поле по спектрам КРС
3.1 Понижение симметрии решетки пленки (Ва, 8г)ТЮз/М§0 во внешнем электрическом поле
3.2 Моделирование влияния внешнего электрического поля на частоту мягких мод пленки (Ва, 8г)ТЮз/М§
3.3 Выводы к разделу
4 Особенности динамики решетки гетероструктур на основе пленки (В1,Ш)ЕеОз
по спектрам КРС
4.1 Гетероструктура (В1о.98Шо.о2)ГеОз /М§
4.2 Гетероструктура (ВЬ.98^о.о2)РеОз /М§0 с буферным слоем (Ва, 8г)Т10з
4.3 Многослойные гетероструктуры с чередующимися слоями
(Ва, 8г)ТЮз и (В1о.98Ы(1о.о2)ЕеОз
4.4 Выводы к разделу
Заключение
Список цитированной литературы
Основные публикации автора

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Развитие экспериментальных методов гетероэпитаксии, то есть ориентированного роста одного кристалла на поверхности другого, привело к возможности получения пленок и сверхрешеток сложных оксидов. Структура и свойства таких гетероструктур существенно отличаются от структуры и свойств объемных монокристаллов того же состава. В сегнетоэлектрических гетероструктурах открывается новая возможность управления свойствами путем создания контролируемой деформации эпитаксиальных слоев. Искажение элементарной ячейки сегнетоэлектрика определяется внутренними напряжениями, величина которых во многом определяется различием в параметрах решётки пленки и подложки, коэффициентами их теплового расширения и возникновением спонтанной поляризации при охлаждении после осаждения материала, находящегося в параэлектрической фазе при температуре осаждения.
В зависимости от толщины пленки могут преобладать те или иные механические напряжения и типы дефектов. Эти напряжения могут приводить к образованию в плёнках новых фазовых состояний, которые не реализуются в объёмных материалах и, как следствие, к появлению новых свойств. Более того в гетероструктурах имеют место и новые явления, например, возникновение двумерного электронного газа на границе раздела между двумя слоями в многослойной гетероструктуре [1] или появление ферромагнитного интерфейса между немагнитными перовскитами в сверхрешетке [2]. Более глубокое понимание явлений на границах раздела между пленкой и подложкой, а также между пленками в многослойной структуре может открыть новые возможности для управления свойствами сегнетоэлектрических гетероструктур.
Сегнетоэлектрические материалы обладают переключаемой электрическим полем спонтанной поляризацией. Это фундаментальное свойство сегнетоэлектриков является крайне важным и для практических применений. В таком процессе динамика кристаллической решетки недостаточно изучена.

Поэтому экспериментальное исследование фазовых состояний в эпитаксиальных пленках сегнетоэлектриков во внешних электрических полях является актуальным, как для физики конденсированного состояния, так и для практических применений сегнетоэлектриков в пленочном исполнении.
Важной особенностью сложных оксидов со структурой перовскита является то, что при сегнетоэлектрических фазовых переходах их атомная структура изменяется, как правило, вследствие конденсации одной или нескольких мягких мод [3]. Определяющую роль в фазовом переходе типа смещения играет мягкая мода, поведение которой во многом определяет динамику кристаллической решетки, испытывающей фазовый переход. Морфические эффекты, то есть изменение свойств кристалла под влиянием внешних воздействий (электрические и магнитные поля, механические напряжения), приводящие к понижению симметрии кристалла также влияют на динамику решетки кристалла. При этом необходимо использование метода спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) как наиболее эффективного при выявлении микроскопических механизмов изменений структуры при фазовых переходах в кристаллах, керамике, пленках и сложных гетероструктурах.
Таким образом, тема диссертации, посвященной выявлению влияния размерных и морфических эффектов на особенности проявления сегнетоэлектрического состояния и фазовые переходы в сегнетоэлектрических гетероструктурах на основе анализа спектров КРС является актуальной.
Объекты исследований:
- гетероэпитаксиальные пленки (Bao.sSro.2)Ti03/MgO и (Bio.9sNdo.o2)Fe03/MgO;
- многослойные гетероструктуры С чередующимися СЛОЯМИ (Bio.98Ndo.02)Fe03 (BNFO) и (Bao.8Sro.2)Ti03 (BST) на подложках (OOl)MgO с различной толщиной.
Цель работы: определить влияние внутренних механических напряжений, внешних электрических полей и толщины слоев на динамику решетки и особенности фазовых состояний эпитаксиальных гетероструктур сегнетоэлектриков и мультиферроиков.

висмута: значительное уширение и объединение низкочастотных пиков в единую полосу при Т= 600...700 К и полное исчезновение пиков КРС при 1000...1100 К. Так как в монокристалле ВРО происходит магнитный фазовый переход при 7н ~ 640 К, то возможно взаимодействие между фонолами и спиновой подсистемой. Отсутствие активных КРС мод при 1100 К объясняется переходом в кубическую фазу, где спектр КРС запрещен.
Отнесение наблюдавшихся линий по типам симметрии, сделанные авторами [91, 92] впоследствии опровергалось другими авторами [93-95], и до настоящего времени к единого мнения прийти не удалось. Это связано, по всей вероятности, с наличием сложной доменной структурой в изученных образцах и с влиянием механической обработки поверхности. В спектрах ромбоэдрического феррита висмута наблюдаются “наклонные” моды, частоты которых зависит от угла 0 между волновым вектором возбуждающей волны и направлением полярной оси.
В работах [90, 93] Ра1а1 II. и соавторы исследовали монокристалл ВБО и эпитаксиальные пленки ВРО, выращенные на (100) БгТЮз подложках. При комнатной температуре в КРС спектрах наблюдается 13 четких пиков, как в 1{ХХ)2, так и в Z(XY)Z геометрии рассеяния, что согласно правилам отбора исключает тетрагональную и ромбоэдрическую симметрию пленок, указывая на моноклинную симметрию пленок. Из сравнения деполяризованных спектров монокристалла и пленки ВРО можно увидеть (рис. 1.16), что спектр пленки содержит всего одну дополнительную линию.
В температурной зависимости пленок ВБО/БТ наблюдаются следующие особенности: исчезновение всех сильных пиков и появление нескольких дополнительных при 1093 К и полное исчезновение КРС спектра выше 1223 К. Такое температурное поведение указывает на то, что пленка остается с такой же, что и при комнатной температуре, симметрией вплоть до 1093 К, затем происходит фазовый переход сегнетоэлектрик-параэлектрик. При этих фазовых переходах не было обнаружено никаких мягких мод, уширение линий и сдвиг пиков к низким частотам при высоких температурах согласуется с температурным
расширением и беспорядком в монокристалле ВБО, это указывает на то, что