ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТОНКИХ СФЕРОЛИТОВЫХ ПЛЕНОК ЦТС, СФОРМИРОВАННЫХ ДВУХСТАДИЙНЫМ МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО МАГНЕТРОННОГО ОСАЖДЕНИЯ

Обложка

Цитировать

Полный текст

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.

Об авторах

Михаил Владимирович Старицын

НИЦ «Курчатовский институт» - ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина»

191015 Санкт-Петербург, Шпалерная ул., 49

Дмитрий Александрович Киселев

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

119049 Москва, Ленинский пр., 4

Владимир Петрович Пронин

ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена»

191186, Санкт-Петербург, Наб. реки Мойки, 48

Артемий Николаевич Крушельницкий

ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена»

191186, Санкт-Петербург, Наб. реки Мойки, 48

Станислав Викторович Сенкевич

ФГБОУ ВО «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена»

191186, Санкт-Петербург, Наб. реки Мойки, 48)ФГБУН «Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук» (194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26

Евгений Юрьевич Каптелов

ФГБУН «Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук»

194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26

Игорь Петрович Пронин

ФГБУН «Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук»

Email: petrovich@mail.ioffe.RUS
194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26

Список литературы

  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 цирконата-титаната 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. 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. - № 13. - С. 400-410. - doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.400. - EDN QPOSEP.
  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. Antoja-Lleonart 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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).