Некоторые свойства тонких сегнетоэлектрических пленок в условиях вынужденного пьезоэффекта

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК В УСЛОВИЯХ ВЫНУЖДЕННОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

1,2, 1,2, 2

1Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону, Россия

2Южный Федеральный Университет, Ростов-на-Дону, Россия

Определяющим моментом при эффективном проектировании акустоэлектронных устройств с использованием тонкопленочных технологий является применение материальных параметров пленки, которые могут существенно отличаться от параметров объемных образцов. Это обусловлено вынужденной деформацией пленки при ее взаимодействии с подложкой за счет разницы геометрических параметров их кристаллических решеток. Не менее важным моментом при проектировании акустоэлектронных устройств с применением тонкопленочных технологий является наличие в сегнетоэлектриках гистерезисных явлений, приводящих к существенным потерям. Одним из эффективных направлений уменьшения потерь в сегнетоэлектриках является выведение их в высокосимметричную фазу, где в отсутствие внешнего электрического поля нет спонтанной поляризации. Приложение внешнего электрического поля приводит к появлению поляризации, а, следовательно, и к возникновению вынужденного пьезоэффекта. Однако гистерезисные явления при этом не возникают.

В настоящей работе представлена математическая модель поведения тонкой сегнетоэлектрической пленки, находящейся в условиях вынужденного пьезоэффекта, вызванного действием внешнего электрического поля. Для описания нелинейных свойств сегнетоэлектриков традиционно применяется теория Ландау фазовых переходов, использующая термодинамические потенциалы высоких степеней. В рассматриваемом случае сегнетоэлектрические твердые растворы титаната бария-стронция (BST) удалось успешно описать количественно, используя потенциал Ландау восьмой степени. Изучено влияние планарного электрического поля Ex на материальные постоянные тонкой сегнетоэлектрической пленки, находящейся в параэлектрической фазе.

Установлено, что под действием поля Ex по мере приближения к границе разделения фаз диэлектрическая проницаемость в плоскости пленки возрастает, управляемость увеличивается. Пьезоэлектрические модули ведут себя экстремально, причем острота экстремумов возрастает с приближением к границе раздела фаз. Наибольшему изменению подвержен модуль e11, наименьшему - e12. Все упругие модули, за исключением , также подвержены изменению под действием поля Ex. Однако наиболее значительные изменения происходят с модулем .

Полученные результаты показывают направление поиска пленок с наиболее интересными свойствами, которые позволяют создавать устройства с эффективным управлением электрическим полем.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 14-19-01676.