Механизмы формирования гетерофазных сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца

Проведено экспериментальное и теоретическое изучение процессов образования включений "примесных" фаз в сегнетоэлектрических оксидах на примере поликристаллических пленок цирконата-титаната свинца (ЦТС). Особенностью данных составов является сравнительно высокая летучесть оксидов свинца, что может приводить к дефициту этих компонентов в составе формируемой сегнетоэлектрической пленки в ходе высокотемпературной кристаллизации. Чтобы избежать потери свинца, в процессе синтеза в раствор добавляют его некоторый избыток. Экспериментальные образцы пленок ЦТС были получены золь-гель-методом с различным содержанием оксида свинца, кристаллизация сегнетоэлектрической фазы пленок осуществлялась на воздухе при температуре 600 °C. В пленках обнаружены включения примесной фазы оксида свинца, получено распределение включений по размерам. Изложены модельные представления и предложена система уравнений, описывающие кинетику образования дисперсных включений новых фаз различного стехиометрического состава на границах раздела в поликристаллических пленках многокомпонентных сегнетоэлектрических оксидов за счет процессов объемной диффузии и зернограничной сегрегации. Сопоставление экспериментальных данных с теоретической моделью дало согласие на качественном уровне. Общность подхода позволяет распространить модель на другие системы многокомпонентных сегнетоэлектрических поликристаллических материалов.

1. Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд / пер. с англ.; под ред. К. М. Рабе, Ч. Г. Анна, Ж. М. Трискона. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 440 с.

2. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / под ред. А. С. Сигова. М.: Энергоатомиздат, 2011. 175 с.

3. PZT-Based Piezoelectric MEMS Technology / G. L. Smith, J. S. Pulskamp, L. M. Sanchez, D. M. Potrepka, R. M. Proie, T. G. Ivanov, R. Q. Rudy, W. D. Nothwang, S. S. Bedair, C. D. Meyer, R. G. Polcawich // J. of the American Ceramic Society. 2012. Vol. 95. P. 1777–1792.

4. Формирование и свойства пористых пленок цирконата-титаната свинца / Д. С. Серегин, К. А. Воротилов, А. С. Сигов, Е. Н. Зубкова, Д. А. Абдуллаев, Н. М. Котова, А. С. Вишневский // Физика твердого тела. 2015. Т. 57, вып. 3. С. 487–490.

5. SAW Based Phononic Crystal Sensor, Technological Challenges and Solutions / M.-P. Schmidt, A. Oseev,Lucklum, M. Zubtsov, S. Hirsch // Microsystem Technologies. 2016. Vol. 22, iss. 7. P 1593–1599.

6. Towards a SAW Based Phononic Crystal Sensor Platform / R. Lucklum, M. Zubtsov, A. Oseev, M.-P. Schmidt, S. Hirsch, F. Hagemann // Joint European Frequency and Time Forum and International Frequency Control Symposium (EFTF/IFC), Prague, July 21–25, 2013. Piscataway: IEEE, 2013. P. 69–72. (Art. number 6702207)

7. Selective Normal Mode Excitation in Multilayer Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators / A. Kozyrev, A. Mikhailov, S. Ptashnik, P. K. Petrov, N. Alford // Applied Physics Letters. 2014. Vol. 105. P. 162910(1–3).

8. Microwave Emission From Lead Zirconate Titanate Induced by Impulsive Mechanical Load / A. Aman, S. Majcherek, S. Hirsch, B. Schmidt // J. of Applied Physics. 2015. Vol. 118. P. 164105(1–7).

9. Composition, Structure and Mechanical Properties of the Titanium Surface after Induction Heat Treatment Followed by Modification with Hydroxyapatite Nanoparticles /A. Fomin, S. Dorozhkin, M. Fomina, V. Koshuro, I. Rodionov, A. Zakharevich, N. Petrova, A. Skaptsov // Ceramics International. 2016. Vol. 42, iss. 9. P. 10838–10846.

10. Nanostructure of Composite Bioactive Titania Coatings Modified with Hydroxyapatite in Medical Titanium Implants / A. A. Fomin, A. B. Steinhauer, I. V. Rodionov, N. V. Petrova, A. M. Zakharevich, A. A. Skaptsov, A. N. Gribov // Biomedical Engineering. 2013. Vol. 47, № 3. P. 138–141.

11. Технология, свойства и применение сегнетоэлектрических пленок и структур на их основе / под ред. В. П. Афанасьева, А. Б. Козырева. СПб.: Элмор, 2007. 248 с.

12. Александров К. С., Безносиков Б. В. Перовскиты. Настоящее и будущее. (Многообразие парафаз, фазовые превращения, возможности синтеза новых соединений). Новосибирск: СО РАН, 2004. 231 с.

13. Фесенко Е. Г. Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М.: Атомиздат, 1972. 248 с.

14. Приседский В. В. Нестехиометрические сегнетоэлектрики АIIВIVО3. Донецк: Ноулидж, 2011. 268 с.

15. Sanjeev A., Ramesh R. Point Defect Chemistry of Metal Oxide Heterostructures // Ann. Rev. of Materials Research. 1998. Vol. 28. P. 463–499.

16. Структурные свойства пленочного титаната бария-стронция в зависимости от технологических условий роста пленок / А. В. Тумаркин, В. И. Альмяшев, С. В. Разумов, М. М. Гайдуков, А. Г. Гагарин, А. Г. Алтынников, А. Б. Козырев // Физика твердого тела. 2015. Т. 57, вып. 3. С. 540–544.

17. Phase Formation Of BaTiO3–Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 Perovskite Ceramics / N. Triamnak, G. L. Brennecka, H. J. BrownShaklee, M. A. Rodriguez, D. P. Cann // J. Of The Ceramic Society Of Japan. 2014. Vol. 122, № 1424. P. 260–266.

18. Hirose K., Lay T. Discovery of Post-Perovskite and New Views on the Core–Mantle Boundary Region // Elements. 2008. Vol. 4. P. 181–186.

19. Chemistry of the Fe2O3/BiFeO3 Interface in BiFeO3 Thin Film Heterostructures / M. Arredondo, Q. M. Ramasse, K. Bogle, V. Nagarajan // Materials. 2010. Vol. 3. P. 5274–5282.

20. Cavalheiro A. A., Barrionuevo S. M., Bruno J. C. Effect of PbO excess on the formation of lead magnesium niobate perovskite by the columbite method // Mater Chem phys. 2004. Vol. 84. P. 107–111.

21. Руденко М. В., Гапоненко Н. В. Зависимость структуры и морфологии танталата стронция висмута от температуры термообработки // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сб. тр. IX Междунар. конф., СПб., 7–10 июля 2014 г. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. С. 292–293.

22. Петров А. А. Гетерофазные границы раздела в поликристаллических пленках и структурах на их основе. СПб.: Литера, 2008. 196 с.

23. Влияние оксида свинца на диэлектрические характеристики гетерогенных пленок Pb(Zr,Ti)O3 + PbO, полученных двухстадийным способом / С. В. Сенкевич, И. П. Пронин, Е. Ю. Каптелов, О .Н. Сергеева, Н. А. Ильин, В. П. Пронин // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 8. С. 86–94.

24. Тонкопленочный конденсатор M/Pb(Ti,Zr)O3/M как поляризационно-чувствительный фотоэлемент / Л. А. Делимова, В. С. Юферев, И. В. Грехов, А. А. Петров, К. А. Федоров, В. П. Афанасьев // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 6. С. 1149–1153.

25. Структурные особенности пленок цирконататитаната свинца, сформированных методом химического осаждения из растворов с различным содержанием свинца / О. М. Жигалина, К. А. Воротилов, Д. Н. Хмеленин, А. С. Сигов // Нанои микросистемная техника. 2008. № 11. С. 17–22.

26. Афанасьев В. П., Воротилов К. А., Мухин Н. В. Влияние условий синтеза на свойства поликристаллических пленок ЦТС нестехиометрических составов // Физика и химия стекла. 2016. Т. 42, № 3. С. 410–419.

27. Мухин Н. В. Модель диффузии собственных дефектов в пленках цирконата-титаната свинца при термообработке на воздухе // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40, № 2. С. 327–333.

28. Мухин Н. В. Кинетика образования зернограничных включений оксида свинца в пленках цирконата-титаната свинца // Физика и химия стекла. 2016. Т. 42, № 1. С. 89–96.

29. Воротилов К. А., Мухин Н. В. Влияние условий формирования пленок ЦТС с разным содержанием свинца на их сегнетоэлектрические свойства // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2014. Т. 14, № 3. С. 185–188.

30. Formation and Properties of PZT-PbO Thin Heterophase Films / V. P. Afanasjev, D. A. Chigirev, N. V. Mukhin, A. A. Petrov // Ferroelectrics. 2016. Vol. 496, iss. 1. P. 170–176.

31. Формирование золь-гель методом и свойства тонких пленок танталата стронция висмута / М. В. Руденко, Н. В. Гапоненко, В. Г. Литвинов, Н. В. Мухин, Л. С. Хорошко, А. В. Ермачихин, А. Г. Алтынников // Докл. БГУИР. 2015. № 6 (92). С. 61–64.

32. Воротилов К. А., Мухин Н. В. Особенности дефектообразования в нестехиометрических наноразмерных пленках ЦТС при их формировании зольгель методом // Наноматериалы и наноструктуры – XXI век. 2014. № 3. С. 18–22.

33. Allen T. Particle Size Measurement. London: Chapman and Hall, 1981. 678 p.

34. Коропов А. В. Морфологическая устойчивость двумерного выделения новой фазы, расположенного на межзеренной границе // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81, вып. 12. С. 83–88.

35. Кукушкин С. А., Слезов В. В. Дисперсионные системы на поверхности твердых тел (эволюционный подход), механизмы образования тонких пленок. СПб.: Наука, 1996. 304 с.

36. Слезов В. В., Давыдов Л. Н., Рогожкин В. В. Кинетика сегрегации примеси на границах зерен в поликристаллах. II. Концентрированный раствор // Физика твердого тела. 1998. Т. 40, № 2. С. 251–253.

37. Иванова Т. Б., Васькин В. В. Обобщенная модель кинетики образования новой фазы // Вестн. удмуртского ун-та. Компьютерные науки. 2009. Вып. 2. С. 110–117.

38. Извозчиков В. А., Тимофеев О. А. Фотопроводящие окислы свинца в электронике. Л.: Энергия, 1979. 144 с.