Изменение структуры субмикронных пленок ЦТС при тонком варьировании состава в области морфотропной фазовой границы
М.В. Старицын1, М.Л. Федосеев1, Е.Ю. Каптелов2, С.В. Сенкевич2, И.П. Пронин2
1 НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»
2 ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.400
Оригинальная статья
Аннотация: В работе обсуждаются возможности тонкого варьирования состава субмикронных сегнетоэлектрических пленок твердых растворов цирконата-титаната свинца, соответствующих области морфотропной фазовой границы. Варьирование состава осуществлялось путем изменения расстояния от мишени до подложки в диапазоне 30–70 мм в установке высокочастотного магнетронного распыления керамической мишени при осаждении пленок на «холодную» подложку платинированного кремния. Это позволило изменять состав осаждаемых пленок (т.е., элементное соотношение атомов Zr и Ti ) в диапазоне 0–1,5% при сохранении однофазности сформированных перовскитовых пленок в процессе отжига при 580°C. При этом пленки характеризовались элементной неоднородностью состава по толщине, достигающей нескольких процентов. Толщина тонких слоев цирконата-титаната свинца составляла 500 нм. Исследовались изменения микроструктуры и параметров кристаллической решетки. Изменения состава пленок сопровождались существенными изменениями характера сферолитовой микроструктуры и ростовой текстуры. Был обнаружен резкий скачок квазикубического параметра кристаллической решетки, причиной которого может являться фазовая трансформация сегнетоэлектрической фазы – от ромбоэдрической модификации к двухфазному состоянию, предположительно состоящему из моноклинной и тетрагональной модификаций.
Ключевые слова: твердые растворы цирконата-титаната свинца, тонкие пленки, морфотропная фазовая граница, тонкое варьирование состава, микроструктура
- Старицын Михаил Владимирович – инженер 3 категории, НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»
- Федосеев Михаил Леонидович – инженер 1 категории, НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»
- Каптелов Евгений Юрьевич – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
- Сенкевич Станислав Викторович – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
- Пронин Игорь Петрович – д.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
Ссылка на статью:
Старицын, М.В. Изменение структуры субмикронных пленок ЦТС при тонком варьировании состава в области морфотропной фазовой границы / М.В. Старицын, М.Л. Федосеев, Е.Ю. Каптелов, С.В. Сенкевич, И.П. Пронин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 400-410. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.400.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Shirane, G. Phase transitions in solid solutions of PbZrO3 and PbZrO3 (II). X-ray study / .G. Shirane,K. Suzuki, A. Takeda // Journal of Physical Society of Japan. – 1952. – V. 7. – № 1. – P. 12-18. DOI: 10.1143/JPSJ.7.12.
2. Shirane, G. Crystal structure of Pb(Zr–Ti)O3 / G. Shirane, K. Suzuki // Journal of Physical Society of Japan. – 1952. – V. 7. – № 3. – P. 333. DOI: 10.1143/JPSJ.7.333.
3. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе; перевод с англ. М.М. Богачихина и др.; под ред. Л.А. Шувалова. – М.: Мир, 1974. – 288 с.
4. Xu, Y. Ferroelectric materials and their applications / Y. Xu. – North Holland, Amsterdam, London, New York, Tokyo: Elsevier Science Publishers, 1991. – XIV, 391 p.
5. Noheda, B. A monoclinic ferroelectric phase in the Pb(Zr1-xTix)O3 solid solution / B. Noheda, D.E. Cox, G. Shirane et al. // Applied Physics Letters. – 1999. – V. 74. – I. 14. – P. 2059-2061. DOI: 10.1063/1.123756.
6. Cox, D.E. Low-temperature phases in PbZr0,52Ti0,48O3 : A neutron powder diffraction study / D.E. Cox, B. Noheda, G. Shirane // Physical Review B. – 2005. – V. 71. – I. 13. – P. 134110-1-134110-10. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.134110.
7. Scott, J.F. Ferroelectric memories / J.F. Scott, C.A. Paz de Araujo // Science. – 1989. – V. 246. – I. 4936. – P. 1400-1405. DOI: 10.1126/science.246.4936.1400.
8. Воротилов, К.А. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / К.А. Воротилов, В.М. Мухортов, А.С. Сигов. – М.: Энергоатомиздат, 2011. – 175 с.
9. Whatmore, R.W. Ferroelectrics, microsystems and nanotechnology / R. W. Whatmore // Ferroelectrics. – 1999. – V. 225. – I. 1. – P. 179-192. DOI: 10.1080/00150199908009126.
10. Trolier-McKinstry, S. Thin film piezoelectrics for MEMS / S. Trolier-McKinstry, P. Muralt // Journal of Electroceramics. – 2004. – V. 12. – I. 1-2. – P. 7-17. DOI: 10.1023/B:JECR.0000033998.72845.51.
11. Bruchhaus, R. Optimized PZT thin films for pyroelectric IR detector arrays / R. Bruchhaus, D. Pitzer, M. Schreiter et al. // Journal of Electroceramics. – 1999. – V. 3. – I. 2. – P. 151-162. DOI: 10.1023/A:1009995126986.
12. Muralt, P. Micromachined infrared detectors based on pyroelectric thin films / P. Muralt // Reports on Progress in Physics. – 2001. – V. 64. – № 10. – P. 1339-1388. DOI: 10.1088/0034-4885/64/10/203.
13. Izyumskaya, N. Processing, structure, properties, and applications of PZT thin films / N. Izyumskaya, Y.-I. Alivov, S.-J. Cho et al. // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. – 2007. – V. 32. – I. 3-4. – P. 111-202. DOI: 10.1080/10408430701707347.
14. Burdin, D.A. Nonlinear magneto-electric effects in ferromagnetic-piezoelectric composites / D.A. Burdin, D.V. Chashin, N.A. Ekonomov et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2014. – V. 358. – P. 98-104. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.01.062.
15. Eerenstein, W. Multiferroic and magnetoelectric materials / W. Eerenstein, N.D. Mathur, J.F. Scott // Nature. – 2006. – V. 442. – P. 759-765. DOI: 10.1038/nature05023.
16. Ogawa, T. Controlling the crystal orientations of lead titanate thin films / T. Ogawa, A. Senda, T. Kasanami // Japan Journal of Applied Physics. – 1991. – V. 30. – № 9S. – P. 2145-2148. DOI: 10.1143/JJAP.30.2145.
17. Gruverman, A. Mechanical stress effect on imprint behavior of integrated ferroelectric capacitors / A. Gruverman, B. J. Rodriguez, A. I. Kingon et al. // Applied Physics Letters. – 2003. – V. 83. – I. 4. – P. 728- 730. DOI: 10.1063/1.1593830.
18. Spierings, G.A.C.M. Stresses in Pt / Pb(Zr,Ti)O3 / Pt thin-film stacks for integrated ferroelectric capacitors / G.A.C.M. Spierings, G.J.M. Dormans, W.G.J. Moors et al. // Journal of Applied Physics. – 1995. – V. 78. – I. 3. – P. 1926-1933. DOI: 10.1063/1.360230.
19. Пронин, И.П. Вклад механических напряжений в самополяризацию тонких сегнетоэлектрических пленок / И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев и др. // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45. – Вып. 9. – С. 1685-1690.
20. Вольпяс, В.А. Термализация атомных частиц в газах / В.А. Вольпяс, А.Б. Козырев // Журнал теоретической и экспериментальной физики. – 2011. – Т. 140. – Вып. 1. – С. 196-204.
21. Вольпяс, В.А. Ионно-плазменное осаждение оксидных пленок с измененным стехиометрическим составом: эксперимент и моделирование / В.А. Вольпяс, А.В. Тумаркин, А.К. Михайлов и др. // Письма в журнал технической физики. – 2016. – Т. 42. – Вып. 14. – С. 87-93.
22. Pronin, I.P. Formation mechanisms and the orientation of self-polarization in PZT polycrystalline thin films / I.P. Pronin, S.A. Kukushkin, V.V. Spirin et al. // Materials Physics and Mechanics. – 2017. – V. 30. – № 1. – P. 20-34.
23. Вольпяс, В.А. Изменение элементного состава тонких пленок цирконата-титаната свинца в процессе ионно-плазменного осаждения: эксперимент и моделирование / В.А. Вольпяс, А.Б. Козырев, А.В. Тумаркин и др. // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61. – Вып. 7. – C. 1282-1286. DOI: 10.21883/FTT.2019.07.47838.388.
24. Calame, F. Growth and properties of gradient free sol-gel lead zirconate titanate thin films / F. Calame, P. Muralt // Applied Physics Letters. – 2007. – V. 90. – I. 6. – P. 062907-1-062907-3. DOI: 10.1063/1.2472529.