Титанат бария и титанат стронция представляют собой сегнетоэлектрические материалы, принадлежащие к семейству перовскитов, широко применяющиеся в различных областях электронной техники и энергетики, а в последние годы — также в биомедицине и квантовых технологиях. Интерес к этим материалам обусловлен уникальным сочетанием сегнетоэлектрических, пьезо- и пироэлектрических свойств, которые могут быть направленно модифицированы путем изменения химического состава, введения легирующих добавок или перехода в наноструктурированное состояние. Возможность плавного управления характеристиками делает их особенно привлекательными для создания устройств нового поколения, от сверхминиатюрных конденсаторов до квантовых процессоров.

В структуре перовскита ABO ₃ , представленной на рис. 1, катионы Ba ²⁺ (или Sr ²⁺ ) располагаются в вершинах кубической решетки, катионы Ti ⁴⁺ занимают центры кислородных октаэдров, а ионы O ^2– находятся в центрах граней, что создает условия для возникновения спонтанной поляризации [1]. Такое расположение ионов обусловливает высокую чувствительность кристаллической решетки к внешним воздействиям — температуре, электрическому полю, механическому напряжению, что лежит в основе большинства практических применений этих материалов.

Рис. 1. Кристаллическая структура кубического перовскита ABO ₃ [1]

Одна из важнейших особенностей кристаллической структуры BaTiO ₃ — её сильная зависимость от температуры, которая определяет уникальные свойства материала. При температуре выше 120°C титанат бария существует в кубической параэлектрической фазе, лишенной спонтанной поляризации. При охлаждении ниже точки Кюри ( T _С ≈ 120°C) происходит фазовый переход первого рода в тетрагональную сегнетоэлектрическую фазу, сопровождающийся смещением иона титана относительно центра кислородного октаэдра и возникновением электрического дипольного момента. При дальнейшем понижении температуры наблюдаются последовательные переходы в орторомбическую (при 5°C) и ромбоэдрическую (при -90°C) фазы, каждая из которых сохраняет сегнетоэлектрические свойства.

Температура сегнетоэлектрического фазового перехода в титанате бария может быть повышена или понижена путем электрического или гидростатического воздействия. Существенное влияние на сегнетоэлектрический фазовый переход также оказывают дефекты кристаллической решетки, связанные с нарушениями стехиометрии, которые могут создавать локальные поля и влиять на движение доменных стенок, тем самым затормаживая структурные фазовые превращения [2].

Титанат бария обладает высокой диэлектрической проницаемостью (ε). В зависимости от температуры, способа получения и обработки значения ε могут варьироваться в широких перделах: для объемных керамических образцов: ε достигает 1000–5000 при комнатной температуре, а вблизи точки Кюри диэлектрическая проницаемость может возрастать до 10 000 и более. Такая высокая диэлектрическая проницаемость объясняется подвижностью доменных границ и возможностью переориентации спонтанной поляризации под действием внешнего поля, причем вклад доменной динамики особенно велик в поликристаллических образцах.

Другой важной в практическом аспекте характеристикой титаната бария является достаточно высокий пьезоэлектрический отклик ( d ₃₃ ≈ 190 пК/Н). Легирование титаната бария небольшими количествами циркония, кальция, олова или гафния позволяет увеличить пьезомодуль d ₃₃ до 300–400 пК/Н, что в совокупности с экологичекой безопасностью позволяет титанату бария конкурировать с цирконатом-титанатом свинца на рынке пьезоэлектрических компонентов.

Титанат стронция представляет собой потенциальный сегнетоэлектрик, обладающий при комнатной температуре высокосимметричной кубической кристаллической решеткой перовскита с параметром ячейки 3,905 Å, что несколько меньше, чем у BaTiO ₃ (3,994 Å) [3]. Вблизи температуры 110 К титанат стронция претерпевает структурный фазовый переход в тетрагональную сегнетоэластическую фазу, в которой кристалл разбивается на множество доменов, но сегнетоэлектрический порядок при этом не возникает. Несмотря на аномально высокую диэлектрическую проницаемость, наблюдаемую при низких температурах (более 20 000 при 5 К), сегнетоэлектрический фазовый переход в SrTiO ₃ не происходит вплоть до абсолютного нуля из-за квантовых флуктуаций, которые подавляют формирование дальнего порядка. Именно поэтому титанат стронция рассматривается как виртуальный сегнетоэлектрик.

При комнатной температуре диэлектрическая проницаемость SrTiO ₃ составляет 150–450, но при этом материал демонстрирует чрезвычайно низкие диэлектрические потери в микроволновом диапазоне (tg δ ≈ 0,001–0,01 на частотах до 10 ГГц), что обуславливает его ценность для СВЧ-электроники.

При переходе от объемной керамики к тонким пленкам и наноструктурированному состоянию BaTiO ₃ и SrTiO ₃ демонстрируют ярко выраженные размерные эффекты, которые являются определяющими для работы мемристоров, тонкопленочных конденсаторов и интегральных СВЧ-устройств. Наноразмерные структуры могут быть получены также созданием твердых растворов на основе титаната бария и титаната стронция (Ba _х Sr _1-х TiO ₃ ). Данные материалы обладают возможностью плавного регулирования свойств (температуры Кюри и диэлектрической проницаемости) простым изменением соотношения бария и стронция, что открывает широкие перспективных для применения в современной электронике.

При увеличении доли стронция температура фазового перехода линейно снижается, и при концентрациях x ≈ 0,5–0,6 она оказывается вблизи комнатной температуры, что позволяет повысить диэлектрическую проницаемость при 20–25°C. Для титаната бария-стронция (BST) характерна также выраженная диэлектрическая нелинейность — зависимость диэлектрической проницаемости от внешнего электрического поля (эффект диэлектрической управляемости), что используется в перестраиваемых конденсаторах и фазовращателях. Введение некоторы дополнительных легирующих добавок (Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Ca, Zr) позволяет дополнительно модифицировать свойства BST: снизить диэлектрические потери, уменьшить гистерезис, повысить температурную стабильность и управляемость [4].

Многообразие свойств BaTiO ₃ , SrTiO ₃ и твердых растворов BST обуславливает широчайший спектр их применения в современной электронике. Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) на основе титаната бария занимают более 35 % мирового рынка пассивных электронных компонентов и используются в микропроцессорах, мобильных устройствах и системах связи благодаря способности сохранять высокую емкость при миниатюрных размерах, причем управление составом твердых растворов позволяет создавать элементы с заданными свойствами [5]. Особую категорию представляют вариконды — конденсаторы, емкость которых нелинейно зависит от приложенного напряжения, и для их изготовления применяются керамики на основе твердых растворов Ba _х Sr _1-х TiO ₃ .

Пьезоэлектрические свойства BaTiO ₃ позволяют создавать датчики давления, вибрации и ускорения для систем автоматизации и станков с ЧПУ, а также гидроакустические преобразователи для гидролокаторов, эхолотов и сонаров. Экологичность и биосовместимость делают BaTiO ₃ предпочтительным материалом для медицинских применений, таких как УЗИ-датчики, биосенсоры и стимуляторы костной ткани. В оптике кристаллы BaTiO ₃ используются в электрооптических модуляторах для волоконно-оптической связи, нелинейно-оптических преобразователях частоты лазерного излучения и для записи голографических решеток. BST-материалы находят широкое применение в СВЧ-электронике — перестраиваемых фазовращателях, фильтрах и варикондах для систем связи 5G/6G и фазированных антенных решеток (АФАР), где они обеспечивают время переключения 10–100 нс, что в 100 раз быстрее механических систем [6]. Высокая стабильность BaTiO ₃ и способность сохранять эффективность в сложных условиях эксплуатации делают его предпочтительным материалом для оптических модуляторов в системах LiDAR (лазерное обнаружение и определение дальности), применяемых в оборонной и космической технике.

Наноразмерный титанат бария привлекает внимание исследователей как перспективный материал для создания мемристоров — энергонезависимых элементов с переключаемым сопротивлением, которые служат основой для нейроморфных вычислительных систем, имитирующих работу человеческого мозга.

Титанат стронция и твердые растворы на его основе находят широкое применение в устройствах микроволновой электроники, сочетая высокую диэлектрическую управляемость с низкими микроволновыми потерями, что позволяет создавать перестраиваемые радиочастотные компоненты для систем связи и радиолокации нового поколения. Наиболее перспективные разработки по применению SrTiO ₃ и BST лежат в области квантовых технологий: благодаря своей природе квантового параэлектрика, титанат стронция проявляет сильную нелинейную восприимчивость и управляемый диэлектрический отклик при низких температурах, что позволяет создавать параметрические усилители и другие квантовые схемы с уникальными характеристиками для считывания состояний кубитов в квантовых процессорах [7].

Таким образом, уникальное сочетание фундаментальных свойств, возможность направленной модификации и экологическая безопасность обеспечивают титанату бария, титанату стронция и их твердым растворам ведущее место среди функциональных материалов современной электроники и смежных высокотехнологичных отраслей.

Литература:

1. Смоленский Г. А. Физика сегнетоэлектрических явлений / Г. А. Смоленский, В. А. Боков, В. А. Исупов [и др.]. — Л.: Наука, 1985. — 476 с.
2. Струков Б. А. Физические основы сегнетоэлектрических явлении в кристаллах / Б. А. Струков, А. П. Леванюк. — М.: Наука, 1983. — 240 с.
3. Лайнс М. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А. Гласс. — М.: Мир, 1981. — 736 с.
4. Haertling G. H. Ferroelectric Ceramics: History and Technology / G. H. Haertling // Journal of the American Ceramic Society. — 1999. — Vol. 82. — № 4. — P. 797–818. — DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151–2916.1999.tb01840.x
5. Phase transitions and glasslike behavior in Sr _1-x Ba _x TiO ₃ / V. V. Lemanov, E. P. Smirnova, P. P. Syrnikov, E. A. Tarakanov // Phys. Rev. B. — 1996. — Vol. 54. — № 5. — P. 3151–3157. — DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.3151
6. Ferroelectric Materials for Microwave Tunable Applications / A. K. Tagantsev, V. O. Sherman, K. F. Astafiev [и др.]. // Journal of Electroceramics. — 2003. — № 11. — С. 5–66. — DOI: https://doi.org/10.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6
7. Three-Wave Mixing Element with Quantum Paraelectric Materials / I. R. Eric, S. W. Christopher, S. Jamison [и др.]. // Phys. Rev. Applied. — 2026. — № 25. — С. 024091. — DOI: https://doi.org/10.1103/wbdc-p8pq