Ключевые слова: сложные оксиды, гетероэпитаксиальные слои, сегнетоэлектрики, тонкие пленки, поляризация, датчики, горячая поляризация, пьезомодуль.
Примерами сложных оксидов являются Ba1–xSrxTiO3 PbTi0,44Zr0,56O3
К основным фундаментальным проблемам в сегнетоэлектрических пленках сложных оксидов относятся: изучение и исследование связей между структурным совершенством и физическими свойствами, изучение механизмов ориентированной кристаллизации [1].
При получении сегнетоэлектрических пленок важно получать пленки с наибольшей степенью структурного совершенства, однородной поверхностью, со стабильными параметрами во времени, хорошей адгезией. Сильное влияние на структурное совершенство оказывают следующие основные факторы: температура подложки, мощность, подводимая к распылительному узлу, скорость осаждения, скорость роста, природа взаимодействия подложка-пленка.
Управление этими факторами с целью контроля роста пленки в настоящее время мало изучено.
Важно рассмотреть влияние толщины пленки в гетероструктуре (Ba,Sr)TiO3 — MgOна элементарную ячейку. Известны два фактора определяющиекритический размер толщины пленки: энергия экранирования спонтанной поляризации и поверхностная энергия. Если любая из этих энергий тождественная или больше энергии кристаллической решетки, то сегнетоэлектричество пленки будет отсутствовать. Соответственно эти факторы и определяют размерный эффект, при этом свойства пленки меняются последовательно, а не спонтанно [2].
Различия в свойствах тонких сегнетоэлектрических пленках и объемных сегнетоэлектриках объясняются следующими факторами: размерные эффекты, характер взаимодействия подложки-пленки, то есть иной механизм фазового перехода в сегнетоэлектрических структурах и является объяснением различия между их свойствами (из-за больших механических напряжений между пленкой и подложкой)
Экспериментальные исследования в наноразмерных сегнетоэлектриках в настоящее время является актуальной задачей.
В основном это связано с сильным влиянием механических напряжений в системе пленка — подложка.
Сильное влияние подложка оказывает на рост зародышей и рост пленок на начальной кристаллизационной стадии. Низкие значения перенасыщения Δμ, когда зародыш уже можно считать образовавшимся, лежат в основе анализа влияния подложек на гетероэпитасиальные пленки, полученные вакуумными методами [3].
Полную работу зародыша можно выразить через следующую формулу:
Формула применяется с учетом того, что форма зародыша являются параллелепипедом (L и h), где 
— изменение свободной энергии поверхности раздела пленка-подложка, αse — среда с поверхностной энергией, αfe и αsf — поверхностная энергия пленки, Ω — удельный объем фазы из расчета на одну частицу. Исходя из образуются механизмы образования зародышей при процессе эпитаксии.
Для получения пленок используется следующая конструкция распылительного устройства (рисунок 1)
Рис. 1: 1-вакуумная камера, 2- мишень, 3- подложка, 4- керамический нагреватель, 5- вакуумное уплотнение, 6- кварцевое окно, 7- щель, 8- монохроматор, 9- шаговый двигатель, 10- усилитель ЭВМ, 11 — фотоэлектропреобразователь, 12- малошумящий усилитель, 13- малошумящий усилитель, 14 — датчик перемещения
Распылительный узел располагался как с горизонтальным расположением поверхности мишени и обеспечивал стабильную работу до 2,0 Торр при мощности до 70 Вт/см2. Закрепление подложек приходилось на диске из окиси алюминия. Подложки закреплялись на диске из окиси алюминия с диаметром, равным диаметру мишени.
Процессом напыления можно управлять с помощью следующих параметров: ток разряда, температура подложки, напряжение на мишени, давление газа и скорость его подачи. Температура подложки зависит от двух составляющих: ВЧ- мощности и тока нагревателя.
Полученные пленки исследовались на дифрактометре по нескольким параметрам: фазовый состав, структура, параметры элементарной ячейки.
Окислительно-восстановительные процессы, которые связаны с образованием пленки катодными методами в атмосфере кислорода, определяются направлением реакции [4].
N⋅ABO3 N↔⋅ABO3–x + N1⋅O2 + N2⋅O +N3⋅O+ +N4⋅O–,
где Nx = 2⋅N1 + N2 + N3 + N4. Газовая фаза в этом случае содержит не только молекулярный, но и атомарный, а также ионизированный кислород. Поэтому следует ожидать, что равновесное давление в системе оксид — плазма будет ниже, чем в системе оксид — газ. Электрически изолированная подложка, помещенная в отрицательное свечение ВЧ-разряда, имеет отрицательный потенциал относительно плазмы разряда. В таких условиях конденсат в процессе роста бомбардируется положительными ионами и электронами пучка, способными преодолеть потенциальный барьер. Такая бомбардировка должна оказывать влияние на процессы синтеза и кристаллизации, поскольку она эквивалентна увеличению поверхностной подвижности адатомов, а также на направление окислительно-восстановительной реакции. С другой стороны, кислород поступает на подложку не только в атомном и молекулярном состоянии, но в связанном виде в составе макрочастиц.
Поэтому следует ожидать, что давление кислорода в камере, подводимая мощность и температура подложки, как функционально зависимые параметры, должны существенно влиять на степень окисления сложного оксида.
На рисунке 2 показана зависимость пропускания гетероэпитаксиальной пленки (толщина 2 мкм) от длины волны, интервал длин волн от 300 до 600 нанометров (характеристика спектра). Осаждение пленки происходило при различных давлениях кислорода от 0,25 до 0,75 Торр
Рис. 2. Пропускательная способность Ba0,85Sr0,15TiO3
При давлении кислорода больше 0,2 Торр происходит стабилизация коэффициента стабилизации на уровне 90 %, соответственно при давлении более чем 0,4 Торр окислительный процесс преобладает над восстановительным процессом.
Отсюда можно сделать вывод о том, чтобы окислительный процесс преобладал над восстановительным процессом при условии, что синтез и кристаллизация происходят в процессе ионно-плазменно осаждения пленок нужно повышать в 2–3 раза давление кислорода по сравнению с обычной методологией.
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. Равновесные фазовые переходы в эпитаксиальные сегнетоэлектрических тонких пленках. Сегнетоэлектрики. 1999, 223, 79–90.
4. Shapere, A.; Wilczek, F. Geometric Phases in Psysics; World Scientific: Singapore, 1989, 170–216.
