Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Особенности микроструктуры и свойств тонких сферолитовых пленок ЦТС, сформированных двухстадийным методом высокочастотного магнетронного осаждения

М.В. Старицын1, Д.А. Киселев2, В.П. Пронин3, А.Н. Крушельницкий3, С.В. Сенкевич3, Е.Ю. Каптелов4, И.П. Пронин4

1 НИЦ «Курчатовский институт» – ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина»
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
3 ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»
4 ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»

DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.196

Оригинальная статья

Аннотация: В работе приводятся результаты экспериментальных исследований микроструктуры и пьезоэлектрических свойств тонких пленок цирконата-титаната свинца, характеризующихся либо островковой структурой радиально-лучистых сферолитов, расположенных в низкотемпературной пирохлорной матрице, либо блочной однофазной сферолитовой структурой, отличающейся размерами блоков. Изменение размера блоков в пределах 10-50 мкм достигалось вариацией расстояния от мишени до подложки в диапазоне 30-70 мм, приводящей к изменению температуры разогрева подложки в установке высокочастотного магнетронного распыления керамической мишени при осаждении пленок на «холодную» подложку платинированного кремния. Температура последующего отжига для кристаллизации фазы перовскита составляла 550°С для островковых пленок и 580°С для однофазных пленок. Методами растровой электронной микроскопии обнаружены аномальные зависимости поворота ростовой оси с ростом линейных размеров сферолитов, достигающих величины 1,2 град/мкм, и других микроструктурных параметров тонких пленок. Причиной наблюдавшихся явлений являлись латеральные механические напряжения, возникающие в процессе твердотельной трансформации из фазы пирохлора в фазу перовскита, сопровождающейся изменением плотности пленок. При растягивающих напряжениях порядка предела упругости это приводило к появлению дополнительных внутриблоковых большеугловых границ. Методом силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика изучено поведение латеральной поляризации и показано, что растягивающие механические напряжения в сферолитах приводят к ориентации вектора латеральной поляризации в радиальном направлении.

Ключевые слова: тонкие пленки цирконата-титаната свинца, фазовая трансформация пирохлор-перовскит, сферолитовая микроструктура, дифракция отраженных электронов, силовая микроскопия пьезоотклика

  • Старицын Михаил Владимирович – инженер 3 категории, НИЦ «Курчатовский институт» – ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина»
  • Киселев Дмитрий Александрович – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией физики оксидных сегнетоэлектриков, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
  • Пронин Владимир Петрович – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры теоретической физики и астрономии, ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»
  • Крушельницкий Артемий Николаевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры методики обучения физике, ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»
  • Сенкевич Станислав Викторович – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»
  • Каптелов Евгений Юрьевич – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
  • Пронин Игорь Петрович – д.ф.-м.н., старший научный сотрудник (звание), ведущий научный сотрудник (должность), ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»

Ссылка на статью:

Старицын, М.В. Особенности микроструктуры и свойств тонких сферолитовых пленок ЦТС, сформированных двухстадийным методом высокочастотного магнетронного осаждения / М.В. Старицын, Д.А. Киселев, В.П. Пронин, А.Н. Крушельницкий, С.В. Сенкевич, Е.Ю. Каптелов, И.П. Пронин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 196-206. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.196.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Mikolajick, T. Next generation ferroelectric materials for semiconductor process integration and their applications / T. Mikolajick, S. Slesazeck, H. Mulaosmanovic et al. // Journal of Applied Physics. – 2021. – V. 129. – I. 10. – Art. № 100901. – 21 p. DOI: 10.1063/5.0037617.
2. Wall, J.M. Sputtering process of ScxAl1-xN thin films for ferroelectric applications / J.M. Wall, F. Yan // Coatings. – 2023. – V. 13. – I. 1. – Art. № 54. – 18 p. DOI: 10.3390/coatings13010054.
3. Naito, K. The ferroelectric orthorhombic phase formation of Hf0.5Zr0.5O2 thin films on (-201) β–Ga2O3 substrate by atomic layer deposition / K. Naito, K. Yamaguchi, T. Yoshimura, N. Fujimura // Japanese Journal of Applied Physics. – 2023. – V. 62. – № SM. – P. SM1018-1-SM1018-5. DOI: 10.35848/1347-4065/ace917.
4. Zhang, H. Engineering of electromechanical oxides by symmetry breaking / H. Zhang, M. Vasiljevic, A. Bergne et al. // Advanced Materials Interfaces. – 2023. – V. 10. – I. 18. – Art. № 2300083. – 22 p. DOI: 10.1002/admi.202300083.
5. 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.
6. Bretos, I. Active layers of high-performance lead zirconate titanate at temperatures compatible with silicon nano- and microelecrtonic devices / I. Bretos, R. Jiménez, M. Tomczyk et al. // Scientific Reports. – 2016. – V. 6. – Art. № 20143. – 14 p. DOI: 10.1038/srep20143.
7. Song, L. Toward low-temperature processing of lead zirconate titanate thin films: advances, strategies, and applications / L. Song, S. Glinsek, E. Defay // Applied Physics Reviews. – 2021. – V. 8. – I. 4. – Art. № 041315. – 37 p. DOI: 10.1063/5.0054004.
8. Ma, Y. Synthesis, microstructure and properties of magnetron sputtered lead zirconate titanate (PZT) thin film / Y. Ma, J. Song, X. Wang et al. // Coatings. – 2021. – V. 11. – I. 8. – Art. № 944. – 22 p. DOI: 10.3390/coatings11080944.
9. Елшин, А.С. Нелинейно-оптическая диагностика поликристаллических тонких плёнок цирконататитаната свинца / А.С. Елшин, И.П. Пронин, С.В. Сенкевич, Е.Д. Мишина // Письма в журнал технической физики. – 2020. – Т. 46. – Вып. 8. – С. 32-35. DOI: 10.21883/PJTF.2020.08.49306.18142.
10. 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 и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 400-410. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.400.
11. Kolosov, V.Yu. Transmission electron microscopy studies of the specific structure of crystals formed by phase transition in iron oxide amorphous films / V.Yu. Kolosov, A.R. Thölén // Acta Materialia. – 2000. – V. 48. – I. 8. – P. 1829-1840. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00471-1.
12. Shtukenberg, A.G. Spherulites / A.G. Shtukenberg, Y.O. Punin, E. Gunn, B. Kahr // Chemical Reviews. – 2012. – V. 112. – I. 3. – P. 1805-1838. DOI: 10.1021/cr200297f.
13. Sun, W. Growth mechanism and microstructures of Cu2O/PVP spherulites / W. Sun, W. Zhou // Royal Society of Chemistry Advances. – 2022. – V. 12. – I. 31. – P. 20022-20028. DOI: 10.1039/d2ra03302j.
14. Lutjes, N.R. Spherulitic and rotational crystal growth of Quartz thin films / N.R. Lutjes, S. Zhou, J. AntojaLleonart et al. // Scientific Reports – 2021. – V. 11. – I. 1. – Art. № 14888. – 12 p. DOI: 10.1038/s41598-021-94147-y.
15. Musterman, E.J. Curved lattices of crystals formed in glass / E.J. Musterman, V. Dierolf, H. Jain // International Journal of Applied Glass Science. – 2022. – V. 13. – I. 3. – P. 402-419. DOI: 10.1111/ijag.16574.
16. Старицын, М.В. Микроструктура сферолитовых тонких пленок цирконата-титаната свинца / М.В. Старицын, В.П. Пронин, И.И. Хинич и др. // Физика твердого тела. – 2023. – Т. 65. – Вып. 8. – С. 1368-1374. DOI: 10.21883/FTT.2023.08.56155.140.
17. Старицын, М.В. Сегнетоэлектрические свойства тонких пленок цирконата-титаната свинца, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления, в области морфотропной фазовой границы / М.В. Старицын, М.Л. Федосеев, Д.А. Киселев и др. // Физика твердого тела. – 2023. – Т. 65. – Вып. 2. – С. 296-301. DOI: 10.21883/FTT.2023.02.54305.531.
18. Nazeer, H. Compositional dependence of the Young’s modulus and piezoelectric coefficient of (110)-oriented pulsed laser deposited PZT thin films / H. Nazeer, M.D. Nguyen, Ö.S. Sukas et al. // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2015. – V. 24. – I. 1. – P. 166-173. DOI: 10.1109/JMEMS.2014.2323476.
19. Yagnamurthy, I. Mechanical and ferroelectric behavior of PZT-based thin films / I. Yagnamurthy, I. Chasiotis, J. Lambros et al. // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2011. – V. 20. – I. 6. – P. 1250-1258. DOI: 10.1109/JMEMS.2011.2167666.
20. Тентилова, И.Ю. Образование микропор в пленках цирконата-титаната свинца / И.Ю. Тентилова, Е.Ю. Каптелов, И.П. Пронин, В.Л. Уголков // Неорганические материалы. – 2012. – Т. 48. – Вып. 11. – С. 1269-1273.
21. Afanasjev, V.P. Polarization and self-polarization in thin PbZr1-xTixO3 (PZT) films / V.P. Afanasjev, A.A. Petrov, I.P. Pronin et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2001. – V. 13. – № 39. – P. 8755-8763. DOI: 10.1088/0953-8984/13/39/304.
22. Пронин, И.П. Вклад механических напряжений в самополяризацию тонких сегнетоэлектрических пленок / И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев, В.П. Афанасьев // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45. – Вып. 9. – С. 1685-1690.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒