Библиографическое описание:

Таишев С. Р., Крайнова К. Ю. Оптимизация условий поляризации в наноразмерных сегнетоэлектриках с целью дальнейшего применения в датчиках и МЭМС // Молодой ученый. — 2016. — №1. — С. 224-227.

 

Ключевые слова:сегнетоэлектрики, тонкие пленки, поляризация, датчики, горячая поляризация, пьезомодуль.

 

Сегнетоэлектрики — это определенное семейство материалов, обладающих спонтанной поляризацией в определенном диапазоне температур.

Тенденции к миниатюризации, интеграции и мультифункциональности устройств на основе сегнетоэлектрических пленок были объектами научных исследований, которые имеют большое значение для понимания и разработки перспективных устройств. Примеры включают в себя энергонезависимые запоминающие устройства в микроэлектронике, датчики, исполнительные механизмы, пироэлектрические датчики, настраиваемая микроволновая печь и электрооптические устройства.

В настоящее время все больше внимание уделяется практическому применению сегнетоэлектрических структур в датчиках и микроэлектромеханических системах для различных применений [1].

Наноструктурированные сегнетоэлектрические пленки представляют особый интерес, прежде всего из-за малых размеров (от нескольких до десятков нанометров), что в свою очередь приводит к появлению новых свойств, например у сыпучих материалов SrTiO3 и Pb (Mg/3Nb2/3) диэлектрические свойства сильно повышены, а в виде пленок они сильно уменьшаются, в то время же как коэрцитивные силы полей повышаются.

Теоретическая часть

Впервые формирование домена в сегнетоэлектрическах теоретически рассмотрел Ландау и Лифшиц [2]. Они успешно предсказали существование замыкающихся доменов. На основании термодинамического анализа, различные аналитические модели были предложены Перцевым, Таганцевым [3–4] в исследовании структур доменов в тонких пленках и гетероструктурах. Несмотря на ограничения в прогнозировании структуры домена в деталях и тот факт, что она должна быть применена с усмотрения, термодинамический подход широко применяется в фиксировании доменной структуры в тонких сегнетоэлектрических пленках. С развитием компьютерных технологий, компьютерное моделирование на основе методов расчета играли ключевую роль в разработке детального понимания структуры тонких пленок. Моделирование доменных структур в тонких пленках в основном осуществляются на простых сегнетоэлектриках (например типа тонкопленочного перовскита, как BaTiO3, ЦТС) при различных граничных условиях и их реакции на простые внешние электрические и механические нагрузки.

Особым и наиболее параметром для сегнетоэлектриков является поляризация. Доменная структура сегнетоэлектрика обычно состоит из различных вариантов доменов с определенными векторами поляризации, что позволяет использовать поле поляризации для исследования его доменной структуры.

,(1)

где V — объем образца; ρ — плотность заряда из-за ионов и электронов

В уравнении (1) изменение плотности должна удовлетворять условию полного разряда, в противном случае суммарный заряд необходимо вычесть. Это определение, тем не менее, применяется только для конечных ионных кристаллов, описываемых моделью Клаузиуса-Мосотти. Для бесконечно поляризованных систем, как обычно, с которыми сталкиваются в первых расчетах и других подходах моделирования, такая формулировка плохо определена его зависимостью от элементарной ячейки.

Актуальным является исследование условий поляризации.

Учитывая эти и многие другие качества (диэлектрические, пироэлектрические и тензора), которые являются производными от ΔP, Реста сделал пионерский шаг в этом направлении, чтобы квалифицировать ΔP как фундаментальную величину и вывести четкую форму ΔPв рамках теории флуктуаций.

Впоследствии Кинг-Смит и Вандербильт связали геометрическую фазу. Бери [5], с созданием вычислительного эффекта. Развитие современной теории поляризации был рассмотрено Рестой и обсуждался в работах Рабе и других [6]. Дополненная теория поляризации записывается как:

,(2)

где λ — есть безразмерный параметр, меняющийся непрерывно от нуля (начальное состояние) до единицы (конечное значение),  — скорость изменения P относительно λ. Соответственно спонтанная поляризация сегнетоэлектриков может быть определена путем выбора λ как смещение колеблющейся структуры решетки под действием внешнего электрического поля. Основываясь на приближении Борна-Опенгеймера, ΔPможет быть разложена на вклад от ядер атомов и электронов. Влияние ядер вычисляется по следующей формуле:

,(3)

где e –заряд электрона, Ω- объем элементарной ячейки;  — заряд ядра в позиции rs

На основании первого порядка теории адиабатических возмущений, вклад электрона записывается как

,(4)

где unk периодическая функция, связанная с волновой функцией Блоха

где k- волновой метод, n — уровни энергии

Современная теория поляризации известна как метод фаз Бери. Фаза Бери — фаза, набегающая при прохождении квантовомеханической системой замкнутой траектории в пространстве параметров, когда система подвержена циклическому адиабатическому возмущению.

Значение поляризации в объемных сегнетоэлектриках, энергетическая зависимость от профиля поляризации доменных стенок может быть рассчитана, исходя из базовых фундаментальных вычислений.

Экспериментальная часть

Поиск оптимальных условий поляризации в сегнетоэлектриках

Именно устойчивое поляризационное состояние дает возможность использовать сегнетоэлектрические пленки в качестве пьезоэлектрических преобразователей. Чтобы добиться такого состояние нужно добиться оптимальных режимов поляризации, а именно сочетания температуры, влияния внешнего электрического поля и времени.

Для поляризации были использованы два метода: метод горячей поляризации и метод холодной поляризации.

Метод горячей поляризации. Суть методы заключается в том, что образец нагревается до некоторой температуры приблизительно до температуры Кюри, для того чтобы уменьшить коэрцитивную силу, далее к образцу прикладывается внешнее поляризующее поле десятки кВ/см и при непрерывном поле происходит охлаждение образца.

Метод холодной поляризации. Суть метода заключается в том, что на образец подается внешнее поляризующее поле напряженностью порядка 105 В/см в течении определенного времени (10 минут). К существенному увеличению пьезомодуля d33 увеличение времени не приводило. Через 48–72 часа поляризация приходило в нормальное состояние униполярности, если поляризация образца проходила против естественной униполярности. На рисунке 1 показана зависимость d33 от температуры, где B и С — прямой ход температурной зависимости, а D — обратный. Видно, что образцы возвращаются в нормальное состояние первоначальной поляризации после прогрева после нагрева до 250 °C

Выявление оптимальных режимов работы для горячей поляризации нагреванием экспериментальных образцов происходило при различных температурах нагрева, далее производилось охлаждение образцов при непрерывном воздействии поля. Опыты показали, что наиболее оптимальным временем поляризации является 30 минут охлаждения под воздействием непрерывного поля с предварительной выдержкой под действием поля при начальной температуре поляризации в течение 10 мин.

Рис. 1. Зависимость продольного пьезомодуля d33 пленок ЦТС толщиной 560 нм, поляризованных холодным способом, от температуры

 

Выявлены оптимальные условия для поляризации образца с помощью методов «горячей» и «холодной» поляризации, обеспечивающие стабильность поляризации во времени, что позволяет использовать образец в датчиках и МЭМС.

 

Литература:

 

  1.      Мухортов В. М.; Юзюк Ю. И. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойство и применение. 2008
  2.      Landau, L; Lifshits, E. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies. Phys. Zeitsch. Der Sow. 1935, 8, 153–169.
  3.      Перцев, Н.А.; Зембильготов, А.Г.; Таганцев, А. К. Эффективные диэлектрические и пьезоэлектрические константы поликристаллических сегнетоэлектрическихтонких пленок Phys.Rev. Lett. 1998, 80, 1988–1991.
  4.      Перцев, Н.А.; Зембильготов, А. Г. Равновесные фазовые переходы в эпитаксиальные сегнетоэлектрических тонких пленках. Сегнетоэлектрики. 1999, 223, 79–90.
  5.      Shapere, A.; Wilczek, F. Geometric Phases in Psysics; World Scientific: Singapore, 1989, 170–216.
  6.      Resta, R.; Vanderbilt, D. Theory of polarization: A modern approach. In Physics of Ferroelectrics: A Modern Perspective; Rabe, K.M., Ahn, C.H., Triscone, J.M., Eds.; Springer: Berlin, German, 2007; pp. 31–68.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle