ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 10, № 3, 2014, стр. 24-28
- ФИЗИКА =
УДК 538.975
СТРУКТУРА МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ФЕРРИТА ВИСМУТА И ТИТАНАТА БАРИЯ-СТРОНЦИЯ
© 2014 г. Д.В. Стрюков1, О.А. Бунина2, Ю.И. Головко3, В.М. Мухортов3
Поступила 30.07.2013
Многослойные гетероструктуры Ва0,8Бг0,2ТЮ3 (ВБТ) и (В1098Ш002)РеО3 (ВОТО) на (001) срезах монокристаллов MgO получены ВЧ-распылением стехиометрических керамических мишеней в распылительной системе "Плазма 50 СЭ" с использованием высокого давления кислорода и специальной геометрии электродов. Применение таких параметров распыления позволяло распылять оксид на кластерном уровне с последующим образованием в плазме динамически стабильных наночастиц, которые служили паровой фазой для осаждаемой пленки.
Температура подложки в процессе напыления ВКБО на (100) MgO для эпитаксиального роста пленки составляла 613 К. Оптимальная температура подложки при осаждении ВБТ в монокристаллическом состоянии составляла 870 К.
В настоящей работе приведены результаты поэтапного исследования морфологии поверхности, кристаллической структуры и деформационных полей многослойных структур ВКБО/ВБТ на (100) MgO с целью определения структурных искажений, возникающих при последовательном осаждении слоев. Установлено, что между слоями возникает взаимодействие, приводящее к повышению степени тетрагонального искажения слоя ВБТ и к возникновению в слое ВОТО, нанесенном на ВБТ, нового структурного состояния с орторомбической или моноклинной симметрией, не реализующегося в объемных аналогах.
Ключевые слова: сегнетоэлектрики, мультиферроики, пленки, гетероэпитаксиальные структуры, многослойники.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования гетероструктур сегнетоэлектри-ков на диэлектрических подложках стимулируются перспективами создания электронноуправляемых устройств сверхвысокочастотного диапазона [1]. Фазовые переходы в эпитаксиальных сегнето-электрических пленках радикально отличаются от наблюдающихся в объемных материалах [2]. Это связано с тем, что в эпитаксиальных пленках возникают большие внутренние механические напряжения, обусловленные несоответствием параметров решетки пленки и подложки, существенной разницей в температурных коэффициентах линейного расширения пленки и подложки, а также возникно-
1 Южный федеральный университет (Southern Federal University), 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105/42, e-mail: strdl@mail.ru
2 Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета (Physics Research Institute of the South State Univesity), 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, тел. 8 (863) 243-40-43, e-mail: obunina@gmail.com
3 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; e-mail: urgol@ rambler.ru, vmuhortov@rambler.ru
вением спонтанной поляризации при переходе из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу при охлаждении пленки после её осаждения на подложку. В результате этого в пленке происходят структурные изменения, индуцированные механическим напряжением, и, как следствие, изменение электрофизических характеристик. Поэтому основные способы управления свойствами таких нелинейных гетероструктур сводятся к вариациям условий получения, подбору материала подложки и изменению толщины пленки.
Альтернативным подходом к управлению электрофизическими свойствами мультиферроиков (повышению его магнитной восприимчивости) является создание многослойных структур сегне-тоэлектрик - мультиферроик. В последние годы предприняты попытки создания многослойных ге-тероструктур для нескольких соединений сегнето-электрических и магнитоэлектрических веществ, таких как РЪ^г,Т1)О3/СоРе2О4 [3-5], (Рг0 88Са015МпО3)/ (Ва0,68г0,4ТЮ3) [6], СоРе2О4/ВаТЮ3 [7], ' В1БеО3/ ВаТЮ3 [8], где в качестве подложки используется (100)-срез 8гТЮ3. Использование (Ва088г02ТЮ3) (ВБТ) в качестве буферного слоя [9] при осаждении
СТРУКТУРА МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
25
(Bi098Nd002)FeO3 (BNFO) на (100) MgO приводит к возникновению в пленке BNFO новой фазы, не реализующейся в объемном материале. Недавно было обнаружено, что формирование многослойной структуры BNFO/BST на (100) MgO приводит к возникновению высокой намагниченности порядка 0,063-0,075 BБ/м2 [10]. Отметим, что перераспределение электронной плотности вблизи границ сопрягающихся слоев в многослойных гетероструктурах может приводить к появлению ферромагнитных свойств даже в немагнитных перовскитах [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения многослойных гетероструктур Ba08Sr02TiO3 (BST) и (Bi0>98Nd0>fl2)FeO3 (BNFO) на (001)-срезах монокристаллов MgO использовались две ВЧ-распылительные системы "Плазма 50 СЭ", где в качестве мишеней применялись стехиомет-рические керамические диски диаметром 50 мм. Основное отличие используемой методики осаждения от известных аналогов состоит в использовании сильноточного высокочастотного разряда. Подводимая ВЧ-мощность (80 Вт/см2), высокое давление кислорода (0,6 Торр) и специальная геометрия электродов позволяли распылять оксид на кластерном уровне с последующим образованием в плазме динамически стабильных наночастиц сложного оксида, которые служили паровой фазой для осаждаемой пленки [12]. Температура подложки в процессе напыления BNFO на (100) MgO для эпи-таксиального роста пленки составляла 613 K, что ниже температур TN и TC для BFO. Оптимальная температура подложки при осаждении BST в монокристаллическом состоянии составляла 870 К.
Исследование морфологии поверхности слоев методом атомносиловой микроскопии показало, что первый слой BST на MgO осаждается по слоевому механизму роста, а второй слой BNFO - по механизму трехмерного зародышеобразования. Размеры ростовых блоков слоя BNFO варьируются от десятков до сотен нанометров. Последующий слой BST на поверхности предварительно осажденного слоя BNFO также осаждается по трехмерному механизму, но размеры блоков составляют 100-300 нм.
Для определения структурных искажений, возникающих при последовательном осаждении слоев равной толщины, выполнены систематические рент-гендифракционные исследования многослойных структур на дифрактометре Rigaku Ultima IV in Plane с использованием фокусировки в параллельном пучке и высокоразрешающего монокристального Ge(220) монохроматора, Cu Ka1 излучение.
На рентгенограммах обзорного 20-œ сканирования всех пленок в интервале углов 20 от 10° до 140°
л
В S
3
о
4
: яоСОоо°оо : /~Л \ : У >V%o в
1 1 -1 1 1 1 1 1 ■ лг
су / Лз б
1 ■ 1 ■ I ' I ■ I ■ 1
А - / л : о/ TirïWYY^nnnnrxTiyyvvopnnooO "SorvvvMOonnrinnryVYvj а
44,0°
44,5°
45,0° 45,5° 20
46,0°
46,5°
Рис. 1. Фрагменты рентгенограмм образцов ВЗТ/М^О (а), ВОТО^Т/ (б) и ВБТ/ ВОТО^Т/ (в) в области
рефлекса (002) и результаты разложения экспериментальных профилей на составляющие контуры для ВБТ (сплошная линия) и для ВОТО (пунктирная линия) Толщина каждого слоя 80 нм
обнаруживаются только рефлексы типа 00Х пленки и подложки, свидетельствуя об ориентации оси
[001] пленки параллельно оси [001] подложки. По данным {-сканирования асимметричных рефлексов (113) и (103) пленки и рефлексов (113) подложки, все исследованные структуры BST/MgO, В№О/ ВБТЛ^О и BST/BNFO/BST/MgO имеют полную параллельную ориентацию: ось [001] пленки параллельна оси [001] подложки, ось [100] пленки параллельна оси [100] подложки.
Фрагменты рентгенограмм в области рефлексов
(002), полученные методом 20-м сканирования образцов BST/MgO, ВОТО^Т^О и BST/BNFO/ BST/MgO с одинаковыми толщинами (80 нм) слоев, приведены на рисунке 1. Пленка BST при комнатной температуре является тетрагональной с-домен-ной с параметром решетки по нормали к подложке с = 0,4005(2) нм, который больше параметра с объемного образца (0,3988 нм). Следовательно, в пленке BST присутствуют двумерные сжимающие напряжения в плоскости подложки. В образце В№О^ТЛ^О после осаждения слоя В№О в пленке BST наблюдается увеличение параметра по нормали к подложке от 0,4005(2) до 0,4013(2) нм, что свидетельствует об увеличении в ней сжимающих напряжений в плоскости подложки по сравнению с образцом BST. Параметр решетки верхнего слоя BST в образце BST/BNFO/BST/MgO составляет 0,4008(2) нм, что несколько больше, чем у слоя BST на подложке MgO в образце BST, но меньше, чем в образце BF2. Параметр решетки по нормали к подложке слоя В№О в образце BNFO/BST/MgO составляет 0,3957(2) нм, что близко к величине параметра решетки в объемном материале (0,396 нм),
26
Д.В. СТРЮКОВ и др.
Толщина нм
Рис. 2. Зависимости от толщины 3 продольных гп и поперечных г33 относительных деформаций (а), плотности дислокаций и приведенного объема элементарной ячейки для слоя ВБТ (001)MgO (б)
Рис. 3. Зависимости от толщины 3 продольных гп и поперечных г33 относительных деформаций (а), приведенного объема элементарной ячейки для слоя ВОТО в двухслойной структуре BNFO/BST/MgO (б)
а в образце BST/BNFO/BST/MgO он увеличивается до 0,3983(2) нм. Такое изменение, по-видимому, обусловлено сжимающим действием верхнего слоя BST в образце BST/BNFO/BST/MgO.
Анализ рентгенограмм при {-сканировании показал, что, несмотря на сложный рельеф поверхности, слои В№О в образце В№О^Т^О и верхний слой BST в образце BST/BNFO/BST/MgO являются монокристаллическими. Возрастание с-параметра слоя BST в образце BNFO/BST/MgO, по-видимому, обусловлено тем, что второй слой В№О осаждается при температуре 613 К, т.е. выше Тс пленки BST. При охлаждении фазовый переход из параэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую фазу в нижнем слое BST происходит при наличии верхнего слоя, который создает дополнительные граничные условия, что и влияет на степень тетра-гональности пленки BST. После осаждения третьего слоя BST на поверхность пленки В№О наблюдалось небольшое увеличение параметра решетки В№О, а параметр решетки BST в образце BST/ BNFO/BST/MgO примерно равен среднему значе-
нию параметров решетки BST в образцах BST и BNFO/BST/MgO.
Детальный анализ деформационных полей в эпитаксиальных слоях проведен для пленок BST/ Mg и BNFO/BST/MgO. Напряженное состояние в тетрагональных тонких пленках опис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.