Наноструктура и сегнетоэлектрические свойства наноразмерных пленок BaTiO3/SrRuO3/MgO(001)
Д.А. Киселев2,1, Д.В. Стрюков3, А.В. Павленко3
1 ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН»
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
3 ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.092
Оригинальная статья
Аннотация: В работе методом высокочастотного катодного распыления в атмосфере кислорода были синтезированы высококачественные сегнетоэлектрические гетероструктуры BaTiO3/SrRuO3/MgO(001) с толщиной пленки BaTiO3 от 36 до 360 нм. Комплексными методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей зондовой микроскопии проведено детальное исследование их кристаллической структуры, морфологии поверхности, пьезоэлектрических и
сегнетоэлектрических характеристик. Установлено, что все полученные пленки являются однофазными и гетероэпитаксиальными. Рентгенодифракционные измерения выявили наличие
значительной деформации элементарной ячейки, которая достигает максимума (~4,4%) для самых тонких пленок и уменьшается с ростом толщины. Показано, что шероховатость поверхности пленок, оцененная по данным сканирующей зондовой микроскопии, закономерно увеличивается с толщиной, подчиняясь закону масштабирования. Методом силовой микроскопии пьезоотклика продемонстрирована возможность локального переключения поляризации в пленках и обнаружено увеличение величины остаточного пьезоэлектрического отклика с ростом толщины сегнетоэлектрического слоя. Методом Кельвин-зондовой спектроскопии измерен поверхностный потенциал пленок и установлена тенденция к его снижению с увеличением толщины. В работе обсуждаются причины выявленных закономерностей. Полученные результаты важны для понимания размерных эффектов в сегнетоэлектрических наноразмерных пленках и их применения в микроэлектронике и функциональных устройствах
Ключевые слова: сегнетоэлектрик, BaTiO3, диэлектрические характеристики, сканирующая зондовая микроскопия, поляризация
- Киселев Дмитрий Александрович – к.ф.-м.н., заведующий кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», старший научный сотрудник Фрязинского филиала ФГБУН «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН»
- Стрюков Даниил Валерьевич – к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник отдела физики, химии, информатики, ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
- Павленко Анатолий Владимирович – д.ф.-м.н., заведующий отделом физики, химии, информатики, ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
Ссылка для цитирования:
Киселев, Д.А. Наноструктура и сегнетоэлектрические свойства наноразмерных пленок BaTiO3/SrRuO3/MgO(001) / Д.А. Киселев, Д.В. Стрюков, А.В. Павленко // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 092-101. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.092. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Physics of ferroelectrics: a modern perspective / ed. by K. M. Rabe, C. H. Ahn, J.-M. Triscone. – Berlin: Springer, 2007. – XII+388 p. DOI: 10.1007/978-3-540-34591-6.
2. Setter, N. Ferroelectric thin films: review of materials, properties, and applications / N. Setter, D. Damjanovic, L. Eng et al. // Journal of Applied Physics. – 2006. – V. 100. – I. 5. – P. 051606-1-051606-46. DOI: 10.1063/1.2336999.
3. Janolin, P.-E. Strain on ferroelectric thin films / P.-E. Janolin // Journal of Materials Science. – 2009. – V. 44. – I. 19. – P. 5025-5048. DOI: 10.1007/s10853-009-3553-1.
4. Karvounis, A. Barium titanate nanostructures and thin films for photonics / A. Karvounis, F. Timpu, V.V. Vogler-Neuling, R. Savo, R. Grange // Advanced Optical Materials. – 2020. – V. 8. – I. 20. – Art. № 2001249. – 23 p. DOI: 10.1002/adom.202001249.
5. Acosta, M. BaTiO3-based piezoelectrics: Fundamentals, current status, and perspectives / M. Acosta, N. Novak, V. Rojas et al. // Applied Physics Reviews. – 2017. – V. 4. – I. 4. – P. 041305-1-041305-53. DOI: 10.1063/1.4990046.
6. Everhardt, A.S. Temperature-independent giant dielectric response in transitional BaTiO3 thin films / A.S. Everhardt, T. Denneulin, A. Grünebohm et al. // Applied Physics Reviews. – 2020. – V. 7. – I. 1. – P. 011402-1-011402-8. DOI: 10.1063/1.5122954.
7. Shin, Y.J. Low temperature growth of epitaxial ferroelectric BaTiO3 / Y.J. Shin, J. Jiang, Y. Jia, F.J. Walker, C. H. Ahn // APL Materials. – 2021. – V. 9. – I. 4. – P. 041104-1-041104-6. DOI: 10.1063/5.0046624.
8. Komatsu, K. In-plane ferroelectricity and enhanced Curie temperature in perovskite BaTiO3 epitaxial thin films / K. Komatsu, I. Suzuki, T. Aoki et al. // Applied Physics Letters. – 2020. – V. 117. – I. 7. – Art. № 072902. – 5 p. DOI: 10.1063/5.0013484.
9. Reddy, Y.K.V. Structural and optical properties of BaTiO3 thin films prepared by radio-frequency magnetron sputtering at various substrate temperatures / Y.K.V. Reddy, D. Mergel, S. Reuter, V. Buck, M. Sulkowski // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2006. – V. 39. – I. 6. – P. 1161-1168. DOI: 10.1088/0022-3727/39/6/023.
10. Sharma, H.B.K. Ferroelectric and dielectric properties of sol-gel processed barium titanate ceramics and thin films / H.B.K. Sharma, H.N.K. Sarma, A. Mansingh // Journal of Materials Science. – 1999. – V. 34. – I. 6. – P. 1385-1390. DOI: 10.1023/A:1004578905297.
11. Мухортов, В.М. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение / В.М. Мухортов, Ю.И. Юзюк. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. – 224 с.
12. Павленко, А.В. Наноразмерные пленки ниобата бария-стронция: особенности получения в плазме высокочастотного разряда, структура и физические свойства / А.В. Павленко, С.П. Зинченко, Д.В. Стрюков, А.П. Ковтун. – Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2022. – 242 с.
13. Kwei, G.H. Structures of the ferroelectric phases of barium titanate / G.H. Kwei, A.C. Lawson, S.J.L. Billinge, S.-W. Cheong // The Journal of Physical Chemistry. – 1993. – V. 97. – I. 10. – P. 2368-2377. DOI: 10.1021/j100112a043.